范文一：PLC_自动上料系统

摘 要

在高炉冶炼中，各种原料如焦碳、烧结矿、球团矿和石灰石等以一定比例经过准确称量后，经皮带运输到上料小车，再由上料小车送至高炉内。传统的钢厂配料控制系统设备陈旧、精度低，不仅造成原材料的浪费，更为严重的是导致许多工程质量不合格，因此需要一种高精度动态配料控制系统。

本设计是基于PLC控制、组态软件监控显示、变频器调速的高炉配料自动控制系统，而系统以PLC控制为核心。本设计为4种原料的配料系统，PLC、变频器分别为西门子公司的S7-300、 M440。投料系统的交流传动利用西门子公司的6SE70矢量型变频器和PLC结合来实现。PLC程序的开发以西门子公司的Step7作为软件平台，采用了面向对象的程序设计技术，模块化的设计，从而使系统具有良好的可移植性和可维护性。

在系统中，通过上位机的控制界面设置配料的参数输出到PLC，然后通过PLC自动控制协调各阀门的开关和变频器的输出变化对配料过程进行控制，称量斗上的传感器通过变送器将重量信号送回到PLC，以达到闭环系统对给料的种类和速度的控制，并且对配料过程进行数据记录，使配料过程有数可依，便于管理。

关键词:自动配料，变频调速，自动补偿，可编程控制器S7-300

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引言

研究背景

随着课程的进度，我们开始了学业的最后部分——毕业设计。经过了四年时间的学习，在老师的教导下，我们已经具备了一定基础，

我们就需要在毕为了能够将所学联系起来，较好的应用到生产当中去,

业设计中好好的锻炼自己。在毕业设计中，我选择了这样一个题目就是为了能较好的锻炼自己的应用能力以及分析问题、解决问题的能力。

本设计的题目为高炉上料PLC控制系统，为工程类项目，是高炉冶炼中的一部分。在高炉冶炼中，为了能高质量地进行冶炼，需要将各种原料按照一定的重量和比例准确地添加到高炉中。

传统的钢厂配料控制系统设备陈旧、精度低，不仅造成原材料的浪费，更为严重的是导致许多工程质量不合格，因此需要一种高精度动态配料控制系统。并且传统的配料以人为主体，而人的操作总是有失误的，并不如机器可靠。对机器来说，做这些工作可靠，并且精度高，有助于提高生产力，大大优于人工配料系统，所以急需一种可靠的自动的控制配料系统来改造旧的传统的配料模式。

本设计中，高炉冶炼中所需要的原料有很多，但工艺要求它们要以准确的重量和配比添加到高炉中，才能确保高炉反应以高质量进行。配料过程是否准确完成在一定程度上从开始决定了高炉生产能否顺利进行。所以，准确、快速、灵活的进行配料，对高炉冶炼来说具有重大的意义。

本设计的第二部分为系统的概况与分析。介绍了，主要为工艺流程和工艺与系统的联系。其中包括了工艺的重要性，工艺要求，还有文献综述，列举了相关文献的内容以及参考资料等，这些资料对本设

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计的理论指导和模型的建立有着莫大的帮助。系统的控制模块，包括所用的PLC以及软件等的编程。系统完成的功能说明了该系统所能完成的功能，这些功能也是根据工艺的特点所需要的，为了更好的完成自动配料所需要的功能。系统的特点介绍了该系统在自动配料控制中的优点。

第三部分介绍了配料系统和卷扬系统的工艺以及要求。

第四部分介绍了整个设计的硬件设计。包括了各硬件的规格和它们之间的电路连接，以及PLC的硬件组态。

第五部分是关于PLC程序的设计过程，本设计的PLC程序以块为结构，分为了若干的块，包括FB块,FC块。这种结构是S7-300的一个特点，这样的结构对于编程本身非常有利。另外，这种结构的程序在运行的时候会非常的稳定。

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1 系统的概况与分析

1(1 配料系统概况

高炉上料系统一般由焦炭仓,球团矿/ 烧结矿仓,石灰石/ 白灰石仓以及原矿或废铁仓组成;每一个料仓下面设有一台电动给料机和一

料斗的下部装有电动或液压卸料机构;有1 - 2 条皮带台料斗计量秤;

机组成的运料机构把料斗型计量秤卸下的物料送到上料料车中去;每当高炉内的料位下降到一定程度时,启动卷扬机把料车提到炉顶;并分时打开小料钟和大料钟把物料送入炉内。

1(2 料车卷扬系统概况

高炉上料系统的主要任务是把炉料运送到高炉炉顶，装入炉顶受料斗中。高炉卷扬上料小车是高炉炼铁中的主要尘产设备之—。卷扬上料小车在整个系统中起着至关重要的作用，该设备能否正常运行直接影响高炉炉况、产品的质量和产量。为了满足冶炼要求，必须合理确定控制方案。控制方案不仅与设计和选用设备有关，而且直接影响高炉的操作条件。

1、料车卷扬机采用SINMENS 6SE70系列变频器实现交流变频调速控制。通过RS-232总线连接到主PLC，由PLC控制料车卷扬机的启动、停止、高速、低速、加速、减速，并把检测到料车卷扬机的系统故障

[1]信号传输给PLC进行处理。

2 、料车的主要控制步骤

, 料制由操作人员编制完成;

, 槽下矿石汇总斗、焦碳称量斗称量料满;

, 卷扬机开动料车到料坑底;

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, 开启矿石汇总斗或焦碳称量斗闸门;

, 矿石汇总斗或焦碳称量斗放料至料空;

, 关闭矿石汇总斗或焦碳称量斗闸门;

, 料车显示料满信号;

, 卷扬机开动料车到炉顶;

, 料车到炉顶后延时5秒显示料车料空，与此同时

异侧料车在料坑底装料;

, 上料过程中可加入“焦碳越位”、“空车”调整料

制，但不记入上料料制中。

1(3 文献综述

高炉上料系统一般由焦炭仓,球团矿/ 烧结矿仓,石灰石/ 白灰石仓以及原矿或废铁仓组成;每一个料仓下面设有一电动给料机和一台料斗计量秤;料斗的下部装有电动或液压卸料机构;有1 - 2 条皮带机组成的运料机构把料斗型计量秤卸下的物料送到上料料车中去;每当高炉内的料位下降到一定程度时,启动卷扬机把料车提到炉顶;并分时打开小料钟和大料钟把物料送入炉内。这就是高炉上料系统的流程。针对这个流程，要设计一个自动控制系统，智能的完成此配料过程。

高炉炼铁生产是连续性作业,如果入炉料的矿石/ 焦炭比例波动大,则引起炉温产量的波动; ,从而对产品的质量和都带来不利的影响,

[1]因此入炉料重量的稳定是高炉炼铁生产稳定顺行的前提条件。

所以，本设计应主要解决如下问题:

1 物料准确计量和误差自动补偿,当配料过程中由于机械设备的性能变动或物料的理化性能改变引起称量误差时自动找回误差值。

2 按炼铁工艺要求自动完成顺序上料,根据本高炉的炉况编制

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上料制度并把该上料制度输入到控制系统后,控制系统自动完成上料操作。

3 检测控制大小料钟和料尺,料线到规定值时发出允许上料讯号,把料车的料送到炉顶。

4 打印记录生产数据和控制参数。

5 检测并屏幕显示系统工作情况,当外部机械设备发生故障时及时发出报警信号和故障处理指令。

[2]对于误差的补偿可以采用积累误差补偿法,这种方法主要是对每一次的配料值都进行误差的计算，然后在下一次配料时进行补偿，这样一来，每一次的补偿都相当于是对以往配料的一个总的补偿，那么经过N次上料后，相对差值就近于0了。这是一种比较好的补偿方法。对于传感器来说，它的输出也有误差，也以进行补偿。用零极点配置

[3]的方法,它的原理就是使动态补偿数字滤波器的传递函数是传感器传递函数的倒数, 则整个测量系统的传递函数为1, 这样便具有理想的频率响应特性。然而本设计中的传感器并不要求有太高的精度就能满足要求。所以无需补偿。

电子秤- PLC - 微机控制上料系统具有较高的可靠性和稳定性,大大减少了高炉入炉料的重量和配比的波动,消除了电气控制时的人

[4]为误操作,为高炉炼铁生产过程连续稳定进行创造了条件。

在目前的自动配料控制系统中各个单位和不同环节的系统大同小异，基本组成分为三个单元:控制单元，称重单元和上位机组态软件。

那么对于本系统的设计来说，电子秤作为测量仪器实现系统的回路输入，PLC作为控制环节的核心，全面的进行控制、和计算输出，微机作为上位机主要实现各种参数的输入和输出。流程中的一些可操作控制等，并要求以友好、简洁明了的操作界面进行控制。这是一个比

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较稳定、可靠的系统模式。那么，本设计也将采用这种电子秤- PLC - 微机模式。

对于称重有很多种传感器，一般使用压阻式。传感器将压力信号传至变送单元，由变送器将信号转换为4,20mA或1,,V标准信号再送

[5]至PLC的输入单元，这样便形成了一个闭环控制系统。

电子秤方面实际上只要求有一个传感器和一个变送器即可，因为对于显示和操作来说，都可以在友好的人机界面上完成。因为传感器

[6]的输出信号很弱，而实际环境又是十分复杂的。所以要求传感器要紧接着变送器进行连接。

根据现场复杂的环境，可以选取西门子的S7-300这款PLC。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC具有通用性强、使用方便、

[7]适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

然而这只是控制方面，对于下料仓的速度变化控制应采用变频器控制。变频调速器本身的可靠性很高:一般情况下可连续使用10 万h 以上。而且变频器自带欠压、过压、过流、过载、过热以及失速等各

[9]种保护功能。

与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点，如节能，容易实现有电动机的调速控制，可以实现大范围内的高效连续调速控制，容易实现电动机的正反转切换，可以进行高频度的起停运转，可以进行电气制动，可以对

[10]电动机进行高速驱动，适应各种环境等等。

对生产过程进行打印记录是一个必不可少的功能，这里对此功能提出以表重要。因为，及时记录和打印生产过程中的数据，使生产有

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[11]数可依，管理更系统，强化了炼铁生产计量管理手段。

本设计大致分为几个方面——组态软件的设计，电路设计，PLC

程序设计等。在上位机组态软件的设计中，主要包括控制画面、数据显示画面以及上位机和PLC的通讯。在PLC设计中，主要包括4种原料的顺序组合，阀门的顺序开关，模拟信号的采集，变频器的速度控制以及配料的补偿算法。

根据系统工艺的要求和硬件的组成等因素完成之后进行一定的程序开发，程序的开发是以这两个为前提的，也是最后对系统的运行起决定性作用的一个重要环节。程序开发分为两个大的方面:PLC程序开发和组态软件程序开发。

根据系统工艺的要求我们可将PLC程序分为三个大的方面:

1、手动操作

2、自动操作

3、数据采集

自动操作又分为三个大的方面:

1、顺序控制

2、加料控制

3、自动补偿

之所以这样划分一是根据系统的需要，另外，S7-300这款PLC的编程中可以以块为结构，称为用户程序结构。

组态软件的编程主要是控制画面的设计，将组态程序做好就能有一个友好的界面来实现人与控制系统的结合，使配料在自动的情况下进行，但人又可以在控制界面中对控制过程进行干预，并且监控配料过程的进行，对过程数据进行考查和记录。

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2 配料系统

2(1 配料系统简介

高炉上料系统一般由焦炭仓,球团矿/ 烧结矿仓,石灰石/ 白灰石仓以及原矿或废铁仓组成;每一个料仓下面设有一台电动给料机和

料斗的下部装有电动或液压卸料机构;矿石在槽下经一台料斗计量秤;

振动给料机、振动筛后(杂矿和溶剂不过筛)，合格的矿石进入称量漏斗，称量好的矿石再经过主皮带机运至料坑矿石汇总称量斗。碎矿皮带机设在料坑两侧的筛下，筛下的碎矿由皮带机转运至返矿仓。焦碳经由振动给料筛进入称量斗，在需要时直接进入料车。料坑内设有两个矿石汇总称量斗闸门和焦炭称量斗闸门，分别将矿石、焦炭和各种

。 杂矿装入左右料车中(如图1

图1 配料系统工艺流程图

2(2 工艺要求

高炉炼铁生产是连续性作业,如果入炉料的矿石/ 焦炭比例波动大,则引起炉温产量的波动; ,从而对产品的质量和都带来不利的影响,

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因此入炉料重量的稳定是高炉炼铁生产稳定顺行的前提条件。自动化上料控制系统主要解决如下问题:

1、物料准确计量和误差自动补偿,当配料过程中由于机械设备的性能变动或物料的理化性能改变引起称量误差时自动找回误差值。

2、按炼铁工艺要求自动完成顺序上料,根据本高炉的炉况编制上料制度并把该上料制度输入到控制系统后,控制系统自动完成正装,倒装,同装,分装以及混装等上料操作。

3、检测控制大小料钟和料尺,料线到规定值时发出允许上料讯号,把料车的料送到炉顶。

4、打印记录生产数据和控制参数。

5、检测并屏幕显示系统工作情况,当外部机械设备发生故障时及时发出报警信号和故障处理指令。

2(3 系统实现的功能

1、实现各配料秤和集料皮带机的顺序起停、单机起停。

2、实现各配料秤的重量配比控制。

3、实现对配料的初始数值的设定。

4、报警。对经常出现的故障进行声光同时报警。

5、报表打印。人工干预，和定时打印各种时报、班报和月报等。

6、断电保护。断电后再次供电时，系统时行初始化复位，保证各台设备均处于停机状态，以防发生人身和设备事故。

3 卷扬系统

3(1 卷扬系统简介

高炉上料的形式主要有两种:一是卷扬料车上料，二是皮带上料，由于料车上料占地面积小，在中小高炉中得到广泛应用，如中型高炉

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卷扬系统采用双电机控制，小高炉采用单电机控制。卷扬上料系统的主要过程是:各种原料经过槽下配料后放入中间斗，料车到料坑后，中间斗把料放如料车，中间料斗阀门关到位并且炉顶准备好后，料车启动，经过一加速——二加速——全速——一级减速——二级减速——检查位，到达炉顶停车。

3(2 控制方案

3(2(1 上料及炉顶系统及主要电气设备

1、卷扬机构交流电机功率160KW，三相交流380V一台。

2、冷却风机电机3.7KW，三相交流380V一台。

3、料车制动器1KW，两相交流380V两台。

4、料车行程编码器，OMRON一台。

5、智能主令控制器一台。

6、料车切换柜一面、交流变频传动柜两面(一用一备)，

制动电阻柜一面。

7、料车变频器选西门子6SE70 200KW两台，配套制动单元。

3(2(2 基本工艺要求

1、料车卷扬机:料车卷扬机按料车行程曲线运行;

2、在PLC操作台手动方式下，满足高、中、低速调速要求;

3、料车启动、停车及加、减速平稳，速度控制受负载(空

载或满载)影响较小;

4、主卷扬有钢绳松弛保护和极限张力保护装置(过流保

护);

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5、料车有行程极限，超极限保护装置，低速检查保护;

3(2(3 设计方案

系统方框图如图3所示

编码器

卷扬电机 卷扬变频器 QH柜 PLC

智能主令 操作台

图2系统方框图

本设计采用西门子公司的6SE70全数字交流变频调速供电装置。系统配置了配套制动单元和独立的制动电阻柜，采用能耗制动方式实现卷扬系统的制动。供电装胃的工作方式选用一备—(用方式，通过切换柜中的三刀双掷刀不关完成备用切换，并配有触摸屏作为人机界面。每个变频器的控制信号通过切换柜的电‘(设备求完成基本联锁及控制，在主PLC与切换柜之间、操作台与切换柜之间利用继电器相互隔离，使抖车的控制可以山PLC或操作台分别控制系统，提高整个系统的可靠性。抱闸山6SE70装冒中的抱闸专用控制功能来实现料车运行中的抱闸控制及联锁控制。

在此过程中，各加减速设计主要是山与上料小车在斜桥上运行至炉顶卸料时必须有一段弯轨。装满料的小车启动时也不宜有过大的冲

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击。所以，采用变频器对其主卷扬电机频率进行转化来实现各种运行操作。变频器频率的变化原则主要依据现场主令控制器的状态，现场主令控制器的状态送到PLC输入端子，山PLC控制，通过PLC的开关量输出端子控制变频器的频率，实现主卷扬的速度调整。启动后，电机随之平滑、无级调速运转，如果运行中出现欠压、逆变器过载、电机过载、故障等运行约束条件出现。综合报警就会动作，切断控制回路，同时在逆变器面板上的数字监视器显示相应的故障信号(为了保证载料小车上料周期，提高产量，减少小车故障。载料小车在上升或下降过程中，运行状态分成三个阶段:低速段、高速段、低速段。

调速装置的交流进线是通过交流进线电抗器解耦，并且进线电抗器设置在电源切换柜中，相当于两套变频器共用一台进线电抗器。在切换开关后面分别接两台出线电抗器，消除出线高次谐波，保护电机(

高炉上料卷扬系统是炼铁生产中的关键设备，主要作用是将炼铁所需的原料源源不断地送到高炉内，保证炼铁的正常需要，而整个高炉上料卷扬系统的核心就是料车的主提升设备，交流变频调速可以获得理想的效果。

电力电子变频器可分为交-直-交和交-交两大类。

U/f恒定、速度开环控制方式和转差频率速度闭环控制方式通用变频器，基本上解决了异步电动机平滑调速的问题。然而，当生产机械对调速系统的动、静态性能提出更高要求是，上述系统还是比直流调速系统略逊一筹。原因在于其系统控制的规律是从异步电动机稳定性、起动及低速时转矩动态响应等方面的性能尚不能令人满意。考虑到异步电动机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩，但若以转子磁通这一旋转的空间矢

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量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的转换，则可以把定子电流中的励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制。这样，通过坐标变换重建的电动机模型就等效为一台直流电动机，从而可象直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制即矢量控制。

矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流矢量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式为矢量控制方式。原理结构如图4所示:

φφ???αα给定信电流?号ω等效直控制控制器?流电动??β变频机模型β器

异步电动机

反馈信号

图3

采用矢量控制方式的通用变频器不仅可以在调速范围上与直流电动机媲美，而且可以控制异步电动机产生的转矩。

主卷扬系统的特点是卷扬电机工作频繁，负荷重，启动转矩要求高，要有足够的运载能力。变频器设计转矩计算比较复杂，实际选用时多以经验选型，变频器容量应比卷扬电机容量大1~2档。根据卷扬系

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统电动机的额定电流和负载特性，选择富士FRENIC5000G11S通用变频器。

3(3 料车定位

高炉卷扬料车的传统定位方式是机械的主令控制器，目前来看，使用起来有很多问题，定位精度差，现场环境恶劣，机械触点容易氧化，位置发生变化后，必须休风，跑几次空车，调整料车位冒。我们现在采用的方案是智能主令控制器与编码器(PLC)结合对料车进行定位，料车定位采用绝对值编码器来完成，信号是格雷码，以开关量的形式送给PLC;主令控制器采用增量式编码器，脉冲信号送给主令控

操作面版

传感器箱联结机构

PLC编码器

卷扬减速机

去控制系统主令控制箱

图4 zklk系列主令控制器产品结构及工作原理图制器的内部小PLC。

料车定位编码器通过Profibus—DP与PLC联网。通过数字面板来调整料车位置,如料车位置发生变化，只需在数字面板上改变料车位罟的数值即可完成对料车的定位。同时，主令控制器所检测到的数据与主PLC中的数据相比较，差小于允许值时认为定位准确。图5为ZKLK

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系列主令控制器产品结构及工作原理图。

部件采用先进、可靠的SIMATIC可编程序控制器(PLC)和OMRON旋转编码器组成。主令控制器主要山传感器单元、处理控制单元、电缆及联接单元三部分组成。核心主令控制器主要山传感器单元、处理控制单元、电缆及联接单元三部分组成。核心系统通过齿轮将主卷扬减速机的低速轴同传感器箱啮合，减速机带动卷扬滚筒转动，从而 实现对料车位冒移动的控制，并将移动的距离传给旋转编码器产生位胃码送给PLC，通过其CPU的程序处理实现精确定位或限位，发送相应的控制信号和保护输出，这样，被控对象的位置就实现控制;同时，控制箱上的操作面板通过PPI通讯与PLC联接，这一良好的人机界面使得被控对象的当前位置显示准确直观、参数的设定与调整简洁方便。

4 系统硬件说明

4(1 PLC简介

一、PLC的发展历程

在自动化控制领域，PLC是一种重要的控制设备。在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1969年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller(PC)。后来可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller(PLC)。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算

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等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。

二、PLC的构成

从结构上分，PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

三、PLC的编程器

编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。目前一般由计算机(运行编程软件)充当编程器。STEP 7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包。STEP 7的功能如下:

- 可通过选择SIMATIC工业软件中的软件产品进行扩展

- 为功能模板和通讯处理器赋值参数

- 强制和多处理器模式

- 全局数据通讯

- 使用通讯功能块的事件驱动数据传送

PLC的这些的诸多优点就注定了它要成为工控系统中不可被替代作用。稳定，可靠，强大的功能，这正是工业控制中所越来越需要的，是发展的趋势。

4(2 PLC模块配置

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S7-300PLC采用背板总线的方式将各模块从物理上和电气上连接

起

来。除CPU模块外，每块信号模块都带有总线连接器。安装时先将总线连接器CPU模块并固定在导轨上，然后依次将各模块装入。电源模

[11]块与CPU模块和其它信号模块之间是通过电缆连接。

1(PLC的中央处理器CPU315

CPU315是S7-300的大脑，其装载存储器的基本容量为48K

字节或80K

字节，可用存储卡扩充装载存储器，最大容量可达到512KB。每执行1000条二进制指令约需0(3ms，最大可扩充1024点数字量I,0或128路模拟量通道。CPU315内装硬件实时时钟。

CPU315的操作系统是事件驱动的用户程序扫描过程。CPU响应哪个事件，操作系统自动调用该事件的组织块0B(CPU315可调用12日个功能块FB(0—127);12日个功能调用FC(0—127); 127个数据块DB(1—127，0保留)。0B，FB，FC，DB的容量均不大于8KB。此外，还有38个系统功能块SFC集成在操作系统中供用户调用:有9个系统数据块SDB装载S7-300系统参数。CPU315适用于要求高速处理和中等I,0规模的任务。它可以装载中等规模的程序，并具有中等的指令执行速度。

2(接口模块IM360和IM361

当PLC系统的规模较大时，一个机架不能容纳所有的模块时，就要增

添扩展机架，这时装有CPU的机架称为主机架。主机架和扩展机架之间通过接口模块IM1360和1M361形成统一的整体。每个机架的接口模块通过总线连接器连接到I,0模块。接口模块是自组态的，无需进行

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地址分配。具有指示系统状态和故障的发光二极管LED。如果CPU不确认此机架，则LED闪烁。

一个系统可以有中央机架和最多三个扩展机架，每个机架最多八个扩展

模块，相邻机架的间隔为4厘米到10米。

IM360必须安装在S7-300的0号主机架上:数据通过连接线368山

IM360传输到IM361:IM360和IM361之间的最大距离不超过10米。IM361接口模块安装在S7—300的l号到3号的机架上;数据通过连接线368由IM360传输到IM361，再从IM361传输到下个机架上的IM361;每个IM361需要一个外部24V电源，向扩展机架上的所有模块供电。可通过电源连接器连接P5307负载电源。

—5 3(通讯处理模块CP343

CP343-5通讯处理器是用于PROFIBUS-FMS总线系统的SIMATIC 57—

300的通讯处理器。它内部带有微处理器，用来分担CPU的通讯任务，并支持其它的通讯连接。它可以通过PROFIBUS—FMS~PROFIBUS站点通讯:与编程器、人机界面装置进行通讯:与其他SIMATICS7—300系统进行通讯。CP343—5通讯处理器具有SIMIITIC57——300系统结构紧凑的优点，其9针D型连接器用于连接PROFIBUS，4针端子排用于立连接外部24V直流电源电压。

4(32路数字输出模块SM322 D032*24VDC,05A

数字输出模块将S7-300的内部信号电平转化为控制过程所需的外部信

号电平。按负载回路使用的电源不同分为:直流输出模块、交流输出

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模块和交直流两用输出模块。

SM322D032*24VDC,O(5A属于晶体管输出方式的模块，只能带直流

负载:32个输出点，分成8组;0(5A的输出电流;该模块输出具有短路保护功能，适用于连接电磁阀、接触器、小功率电机灯和电机启动器。其前视图与原理图如图7所示，图中可以看出背板总线接口产生的位电平信号驱动光电祸合器，实现与外部电路的隔离。

5(8路12位分辨率模拟量输入模块SM331

SM331:AI8*12Bit是8通道的模拟量输入模块，在系统中用于输入电

子称的测量值(模块主要是由A,D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离部件、逻辑电路等组成。

A,D转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分方法。积分式A,

D转换的积分时间直接影响到A,D转换时间和A,D转换精度。积分时间越长，被测值的精度越高。SM331可选的积分时间有:2(5ms，16(7ms，20ms和l00ms。在我国为了抑制工频及谐波干扰，一般选用20ms的积分时间，相应精度为12位。

S7—300的CPU用16位的二进制补码表示模拟量的值，其中最高位为

符号位S。“0”表示正值，“+1“表示负值。S7—300模拟输入模块的输入测量值范围很宽，可直接输入电压、电流、电阻、热电偶等信号。它用于连接不带附加放大器的模拟执行元件和传感器，可以将扩展过程中的模拟信一号转化为S7—300内部处理用的数字信号。

SM331的8个模拟量输入通道共用一个积分式A,D转换部件。

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即通过

模拟切换开关，各个输入通道按顺序一个接一个转换。某一通道从开始转换

模拟量输入值起，一直持续到再次开始转换的时间称为输入模块的循环时间。循环时间是对外部模拟信号的采样间隔。对于一个积分时间设定为20ms，8个输入通道都接有外部信号且都需断线监视的SM331，其循环时间为(22+10)*8=256ms。

SM331的每两个输入通道构成一个输入通道组，可以按通道组任意选择

测量方法和测量范围。模块上需接24VDC的负载电压L+，有反接保护功能。模块与S7--300CPU及负载电压之间是光电隔离的。SM331: A18*12BIT模拟量输入模块的电气原理图如图8所示。

另外，为了使模拟量输入模块获得最佳的抗干扰性能，可以将不使用的

通道与M短接。

6(电源模块PC307(5A)及其容量计算

PS307电源模块的输入接单相交流，输入电压为120,230V，50,60HZ;

输出电压24VDC，输出电流5A;在输入和输出之间有可靠的隔离。

图9是PS307(5A)电源模块前面板。电源输出指示器用一个LED指示

24伏直流输出。如果正常输出额定电压24V，则绿色LED点亮:如输出电路过载，则LED闪烁;输出电流长期在5A到7A之间时，输出电压下降，电源寿命缩短;电流超过7A时，电压跌落，跌落后可自动恢复;如输出短路，则输出电压为0v，LED变暗，在短路消失后电压自

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[12]动恢复。PS307(5A)的基木电路图如图10所示(

在实时控制系统中，接地是抑制干扰使系统可靠工作的主要办法。如能

把接地和屏蔽正确结合起来使用，可以解决大部分一千扰问题。

在确定所有的模块并组建S7—300系统时要选择合适的电源模块。其选

择准则是电源模块的输出功率必须大于CPU模块与所有I,0模块之和，并且要有30,左右的余量。故在设计系统时考虑每块模块的电流消耗和功率损耗是非常必要的。表1列出了在24V直流负载电源下，所选用的各种S7—300模块的心流损耗以及从24V负载电源吸取的电

[14] 流。

表1 各模块电源容量表

通过背板总线从24V负载电源功率损耗(正常

模块 吸取的电流(最吸取的电流(不运行)

大值) 带负载运行)

CPU315 1.2A 1A 8W IM360 350mA ----- 2W IM361 0.8A 0.5mA 5W CP343-5 70mA 0.6mA 7.25W SM321 25mA 1mA 3.5W SM322 70mA 100mA 4.9W SM331 60mA 60mA 1.3W

机架0上24V电源由CPU315向其它模板供电、另外插入IM360，CP343 —5各1块，SM331模拟输入板2块，SM322数字输出板3块。这些模块从S7—300背板总线吸取的电流为

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350+70+2*60+3*70=750(mA)

没有超过CPU315所能转供的电流1(2A.

机架1上由24V电源通过IM361向其它模板供电，另外插入

SM322一

块，数字输入板SM321共5块，这些模块从S7—300背板总线吸取的电流为

70+5*25=185(mA)

也没有超过IM361所能转供的电流0(8A(

那么各模块从24V电源吸取的总电流为

1000+600+2*60+4*100+5*1+500=2625(mA)。

考虑到电源应留有一定的余量，所以电源模块应选PS307(5A)( 4(3 称重变送器的分析和设计

随着工业自动化的发展，计算机技术在工业生产过程中的广

泛应用，在

冶金、化工、煤炭等连续生产的工业中都提出不同形式的连续自动称量以及配料控制等要求，传统的机械杠杆式称重装置己不能满足。目前工业应用的各种大、中型重量变送器(电子秤)，按其用途区分，常见的有以下几类:

——容器秤主要对液体、颗粒状或粉状料进行称重和配料;

——吊钩秤对大型构件、集装箱等在吊卸运输过程中进行称重;

——皮带秤对散装物料在皮带运输过程中进行称重;

——平台秤有地中衡、汽车衡等;

——轨道秤专用于铁道车辆称重。

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称重传感器本质上是测量质量受到地球引力的作用而产生的

力，所以电

子秤在移到不同的地方时，必须对该秤重新较准。电子秤山承重和传力机构、称重传感29、电子测量显示仪表和电源等部分组成。电子称的称重变送器的功能是把机械力转换成一个电信号，可以远距离地传送，显示、记录，并可由计算机进行数据处理，给出控制信号，进而实现生产过程的自动化。称量传感器被做成密封型，从而有良好的防

潮、防腐蚀性能，可以在恶劣环境下工作。

电子称是槽下配料系统中的必备设备。在该系统中，4个矿

斗的称重、

2个中间仓和2个焦仓的称重工作均由电子秤来完成。使用的这种电子称是容器秤的一种，对料斗中的矿石和焦炭进行称重。容器秤由三个荷重传感器支撑料斗进行重量的检测。采用的是电阻应变式传感器。在矿斗、中间仓和焦仓底部设有称重变送器，称重变送器将其所受的矿石压力转换成电信号进行传送，并通过LED显示出矿石的重量。

电阻应变式称重传感器是将应变电阻片粘贴在测量压力的弹

性元件表

面上，当被测压力变化时，弹性元件内部应力变化产生变形，这个变形应力使应变片的电阻也产生变化，这称为电阻应变效应。实验证明，在电阻丝拉伸比例极限内，电阻的相对变化与应变成正比，因此可以通过对电阻的测量来测量压力。

控制系统中一般必须将物理量转化为便于利用的电流或电

压，因此需要

把电阻的变化进一步转换成电流或电压的变化。电桥测量电路是进行这种变换的常用方法。根据电源不同，电桥可分为直流电桥与交流电

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桥。交、直流电桥的原理相似，为便于说明，下面就如图3(?所示直流电桥对其测量原理进行分析。

图1l中E和R为高稳定的精密电源和电阻。当传感元件R、

处于其某

基准状态R时(如空载时)，电桥处于平衡状态，输出电压V为0。当0重量变化时，传感元件的阻值变化为只R(1+δ)，将导致电桥处于不平衡状态:

V=E[1/2-R/[R+R(1+δ)]=E*δ/2*(2+δ) (1) 0

图5电桥工作原理

4.4变频器的简介及选型

变频调速是近代电气工程中发展最快的一种电动机调速方式，变频2D的优良性能其在工业中得到越来越广泛的应用。t，4]本次设计中使用PLC控制变频器的控制端，变频gD在料车起步和停车时实现变速控制，在启动时缓起，在停止的时候缓停。异步电动机本身可以正反

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转运行，对于使用工频供电的电动机，只需改变电动机电塬的相序，即可以改变电动机的转向。当使用变频2S作为电动机电源时,有些变频8S具有控制电动机正反转的功能，有的不具备此功能。对具有正反转控制功能的变频器，可以利用接触器切换变频器输出的相序，在设计它的控制电路时，需要考虑不可将电动机直接从正转切换到反转，应该确保电动机已经停止，再切换到反转，否则，切换的过程中会产生很大的电流，将会对变频器和电动机产生损害。

1(变频器的工作原理和控制方式

(1)变频器工作原理

我们知道，交流电动机的同步转速表达式为:

n=60 f(1一s),p

式中 n——异步电动机的转速;

f——异步电动机的频率:

s——电动机转差率;

P——电动机极对数。

山上式可知，转速n与频率f成币比，只要改变频率fBp可改变电动机的转速，当频率f在0—50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

(2)变频器控制方式

低压通用变频输出电压为380,650V，输出功率为0(75—400kW，工作频率为0,

400Hz，它的主电路都采用交一直一交电路。其控制方式经历了以下四代。

? U,f=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式

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? 根据电机学的原理，异步电动机的同步转速山电频率和电机

极数决定，在改变频率时，电机的同步转速随着改变。当电

机负载运行时，电机转子转速略低于电机的同步转速，即存

在滑差，滑差的大小与电机的负载大小有关。

U,f恒定控制是在控制电动机的电源变化的同时控制变频器的输出电压，并使二者之比U,f恒定。从而使电动机的磁通基本保持恒定。其特点是控制电路结构简成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，山于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。

? 电压空间矢量(SVPWM)控制方式

它是口二相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次女成二相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差:通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响;将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。

? 矢量控制(VC)方式[9]

根据异步电动机的动态数学方程式，它具有和直流电动机的动态方程式相同的形

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式，因而如果选择合适的控制策略，异步电动机应能得到和直流电动机类似的控制性能，这就是矢量控制。

从产生电动机的旋转磁场看，三相绕组中通以三相对称电流可以产尘圆形旋转磁

场，二相绕组中通以互差的电流亦可以产尘圆形旋转磁场，因而从磁场作用看，三相绕组产生的磁场可以用二,;目绕组产生的磁场宋等效。矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic通过三相一二相变换，等效成两相静止坐标系F的交流电流Iai、Ibl，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Iml、Itl(1ml相当于直流电动机的励磁电流;Itl相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现下交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，山于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

?直接转矩控制(DTC)方式

和转矩。它不需要将交流电动机锌效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算:它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、徇沽明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展(目前，该技术已成功地应用在电

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力机车牵引的大功率交流传动上。

2(变频骆的功能及特点，，:1

SINMENS 6SE70系列变频器在所有功率范围中的装冒和系统元件都有一个统一的设计和相同的接线系统。它们能以任何方式组合井能并列安装以满足传动系统各种要求。6SE70系列矢量控制的变频器是采用IGBT元件、全数字技术的电压源型变频器.它同西门子三相交流电动机一起为所有工业领域和所有应用场合提供高性能、最经济的解决方案。

选用西门子矢量型变频调速器6SE70，特点如下:

(1)工业型变频器，比通用型产品更适合于环境恶劣的T,Ik生产现场。

(2)标准化及模块化。整个变频器的结构非常紧凑，主板及扩展板都是通过总

线插槽连接。山于集成度的提高，使装冒具有很高的可靠性。

(3)抗干扰性好，运行可靠，不受元器件老化和温度漂移的影响，能长期保持稳定的控制精度。

(4)适应电源电压波动范围广，能自动适应电网频率变化45—65HZ。

(5)具有很强的自诊断处理功能，提供有关故障原因的补充信息，使故障排除更为简单，维护方便。

(6)灵活多变的通讯能力。32位CPU全数字控制，组态功能丰富。

(7)可针对具体交流电机进行优化，以达到优良的控制性能。

(8)低速时也能提供额定转矩。

5 PLC程序设计

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5(1 程序简介

STEP 7是S7-300系列PLC的编程软件。梯形图、语句表(即指令表)和功能块图是标准的STEP 7的3种编程语言，这3种语言可以在STEP 7中相互转换。在本设计中均采用了梯形图的编程方式。

另外，在本设计的程序中所应用的S7-300的一个重要的功能就是程序的块结构。主程序的块为OB1，那么在主程序块中扩展了FC块和FB块。FC块为用编写的包含经常使用的功能的子程序，无存储区，其临时变量都存储在数据堆栈中，功能执行结束后，这些数据就丢失了。FB块是用户编写的有自己的存储区(背景数据块)的块，每次调用功能块时需要提供各种类型的数据给功能块，功能块搬弄是非返回变量给调用它的块。这些数据以静态变量(STAT)背景数据块中的数据不会丢失，但是不会保存局域数据堆栈中的数据。也就是说用一个FB块就要定义一个或几个DB块与之对应。这些便是在本设计中所应用到的四种块，其它不做介绍。

5(2 程序设计思想

本设计中主要流程是以块为基础的循环扫描过程，即在块OB1中为共享应用程序、手动程序(FC块)和自动控制程序(FC块)的循环过程，在自动控制程序中为顺序控制程序(FC块)和单个料仓的自动加料程序(FB块)(共4个)。

采用这种结构的程序，看起来结构比较鲜明、工整、严谨，并且在查错的时候也比较方便。另外，对于FB块为单个料仓的自动加料程序，那么它就对应了4个DB块，分别为1,4号料仓的数据块。这样一来就节省了一定的程序，因为4个加料过程共用一个加料程序，而且使数据分别用自己的块，这样有利于数据的记录。

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具体的程序块调用的分层结构见图6。

手动程序FC1

操 信号采集FC2作 OB1顺序判定系 FC3

自动程序统FC4自动加料FB1

DB1DB2DB3DB4

图6 程序组织结构图

5(3 系统应用的算法

在本设计中，所应用的算法有配料的自动补偿，配料顺序的读取，和信号的采集等。应用的算法决定了编程的思路以及程序的稳定性等。

1、 自动补偿

在自动配料过程中，加料的准确度也是有限的，误差在约在1,5Kg左右(根据物料的颗粒的大小)。那么当出现了有误差之后，在下一次的加料过程中，就要求对上一次的加料误差进行一定的补偿。本设计中，的补偿算法就是对本次的加料值进行记录，并与设定值进行比较，差值记录下来，作为下一次的补偿值。

补偿值,本次设定值—实际加料值

下次应加值,设定值，上次补偿值

这样一来，本次的加料差值就会在下一次的加料中得到补偿，然而补偿也并非准确，这时的差值又会在下下次的加料中得到补偿。依

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次类推，经过多次加料后，实际的误差值就很小了，相当于一次加料的误差。

2、 配料顺序

配料顺序的算法主要为编程的算法，用于将在WinCC上设定的顺序提取出来，并按此实际地安排加料顺序。

在WinCC中，设置了一个数字输入框，由此输入加料的顺序。如果要设置加料顺序为4,，2,，3,。则在输入框输入“324”。这个数字将被送到PLC的内存中，然后程序按取余顺次取出4、3、2等，并以此做为加料顺序，指导加料程序工作。

3、 信号的采集

本设计中用到了4个16位的模拟信号输入模块，将变送器送来的4,20mA的模拟信号转化为16位的数字信号，为了避免信号的抖动和干扰对采集的结果造成影响，所以，对信号的采集做了一个程序。这个程序的控制算法实际上就是对从模拟块采来的数字值进行累加，累加10次后然后取平均值，这样，就可以减小了干扰所带来的影响。而且，由于程序扫描周期非常的快，这样的信号采集程序对控制程序来说不会发生滞后，而且还会使控制更准确。

5(4 程序说明

在介绍程序之前，先介绍一下本设计在编程过程中解决所遇到的问题所用到的一些知识或者编程经验等。

1、在用户程序中，同一编程元件的线圈使用了两次或多次，称为双线圈输出。

图7中有输出继电器Y0的两个线圈，在同一扫描周期，两个线圈的逻辑运算结果可能刚好相反，即Y0的线圈一个“通电”，一个“断

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电”。因为在程序执行完后才将Y0 的 ON/OFF 状态送到输出模块，对于Y0控制的外部负载来说，真正起作用的是最后一个 Y0 的线圈的状态。

图7 双线圈输出

由 P L C 的工作原理可知，PLC程序执行的结果(即运算得到的线圈的通断状态)，马上就可以被后面的逻辑运算使用。Y0的线圈的通断状态除了对外部负载起作用外，通过它的触点，还可能对程序中别的元件的状态产生影响。图1a中Y0两个线圈所在的电路将梯形图划分为3个区域。因为PLC是循环执行程序的，A区和C区中Y0 的状态相同。如果两个线圈的通断状态相反，不同区域中Y0的触点的状态也是相反的，可能使程序运行异常。所以一般应避免出现双线圈输出现象。

但是，在跳步条件相反的两个程序段(如自动程序和手动程序)中，允许出现双线圈现象，即同一元件的线圈可以在两个程序段中分别出现一次。或者，在调用条件相反的两个子程序中，允许出现双线圈现象，即同一元件的线圈可以在两个子程序中分别出现一次。在一个扫描周期内只能调用一个子程序，实际上只执行正在处理的子程序中双线圈元件的线圈输出指令。

2、使用置位复位指令的顺序控制梯形图编程方法。使用置位复位指令的顺序控制梯形图编程方法又称为以转换为中心的编程方法。

这种编程方法中，需要有两种控制位:步骤位和条件位。

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如图8所示，这个程序的实现是按步骤进行的，初始步为M0.0，依次为M0.1，M0.2，M0.3和M0.4，然后再回到初始步循环进行。步的执行过程中，需要有步的转换，要实现转换需要同时满足两个条件:

M0.0

I0.0×I0.1

M0.1Q0.0正转

I0.2

M0.2Q0.1反转

I0.1

I0.1

M0.3Q0.0正转

I0.3

M0.4Q0.1反转

图8 顺序控制梯形图

a) 该转换所有的前级步都是活动步，比如M0.2为活动步，

即M0.2为1状态，才能进行M0.3的步的实现。

b) 满足转换条件。即当M0.2为活动步时，I0.1为1时，进

行M0.3步的动作。

我们可以看到，在这个程序中，多次用到了I0.1，但是，由于有步的控制，I0.1的作用也就不尽相同，由此我们可以看到这种编程方法的特点:

步与步之间有着严格的对应关系，在任何情况下，代表步的存储

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器位的控制电路都可以用这一个统一的规则来设计，每一个转换对应一个控制置位和复位的电路块，有多少个这样的电路块。这种编程方法特别有规律，在设计复杂的顺序功能图的梯形图时既容易掌握，又不容易出错。用它编制复杂的顺序功能图的梯形图时，更能显示出它的优越性。如以此种方法编自动控制程序，将会非常的稳定。

3、PLC硬件组态

PLC的硬件组态就是对PLC所应用的硬件进行设计，针对要完成什么样的功能，需要有什么样的CPU，多少个数字量输入，数字量输出，模拟量输入，模拟量输出等，根据这些要求对PLC的硬件进行设计。PLC不并不像单片机那样是个成型的东西，它实际上是一个组合体，包括:电源，CPU，输入，输出等。要完成不同的一项工程，那么它对CPU,对输入输出等都有不同的要求，针对这些要求来特定地对PLC的硬件进行组态，以便能达到适用，经济的目的，这就是PLC的硬件组态。

对于本设计来说具体的PLC硬件组态见下表:

表2 PLC硬件地址

Slot Module MPI I Q

address address address

1 PS 307 5A

2 CPU 314C-2 DP 2

3 AI8*16Bit 256?

271

4 DO32*DC24V/0.5A 4?7

5(4(1 主程序

主程序OB1块是PLC程序的组织结构块，是用户程序中的主程序。操作系统在每一次循环中调用一次组织块OB1。主程序OB1块中包含

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三个主要程序块部分:手动程序块，自动程序块和信号采集程序块。

主程序的编程采用的就是前面所介绍的置位复位指令的顺序控制梯形图编程方法。其中的初始化为第一步，手动程序为第二步，自动程序为第三步，信号采集程序为公共步。程序开始第一次扫描时，处于手动程序状态中，当WinCC的设置完毕之后，可由手动程序转入自动程序。这样的设计就是为了能够在系统运行的时候有充分的准备时间。具体的程序流程见图9所示。

程序开始

手动程序

N

信号采集程序

自动允许

Y

自动程序

图9 主程序流程图

5(4(2 信号采集

信号采集程序的作用就是将模拟信号输入模块的输入量进行一定的滤波，送入设定的内存，使程序能够及时的将设定值与实际值进行比较，以便能快速地动态响应加料速度、停止加料和计算补偿值等。

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在模拟输入模块中，系统自动的将输入进来的模拟信号转换为数字信号，转换周期与模块设置的积分时间有关。信号采集程序只需要用MOVE指令将PIW中的数字量转出并进行一定的计算。计算的内容就是将模拟值进行多次(这里为10次)的累加，然后求取这10次的平均值，这样一来，即使信号的输入端有一定的干扰，也会因为10次的平均而减小很多。然而，这也并不是完善的。最好的方法是将取得值进行比较，去掉最大或最小的值。因为最大值或最小值往往都是由大干扰产生的。不过这种方法也要根据实际情况来使用，如果干扰特别频繁的话，就要考虑去掉较多的最大值或最小值。

具体的信号采集程序流程图参看图10。

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程序开始

将PIW的值累加

计数器加1

N计数位为10

Y

累加值除以10

作为当前加料值

程序结束

图10 信号采集程序流程图

5(4(3 自动程序

自动程序是相对手动程序来说的，是对加料控制的自动完成。自动加料程序包括了顺序控制程序，和4个料仓的加料程序。

自动加料程序要完成的工作有:自动判定加料顺序，设定加料的仓号，根据当前的加料值自动的给出合适的加料速度，当加料结束后，自动停止，并给出下一次加料时的补偿值。自动程序的流程图见图11。

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自动程序开始

读取顺序

NNNN是否为1,仓是否为2,仓是否为3,仓是否为4,仓

YYYY

1#仓加料2,仓加料3,仓加料4,仓加料

图11 自动程序流程图

5(4(4 手动程序

手动程序的采用有两个作用，第一是为了在程序起动后不会立即进行自动配料程序，以便自动配料程序有一个准备的过程;第二是考虑在自动配料过程中，各方面的部件都会有出问题的时候，或者在调试PLC程序的时候，自动配料程序退出，这时就要靠手动程序来暂时的进行配料工作的进行。所以，一般情况下是不会用到手动配料程序的。基于此，本设计的手动程序和自动程序是毫无关系的，而且没有数据的记录。

本设计中手动程序所要求完成的工作就是以人为主的操作各个按钮，以暂时的代替自动配料程序的工作。其实，这个工作完全可以脱离PLC来进行，可为什么还要将按钮输入到PLC，由PLC处理后对各个控制量进行操作呢,实际上，如果脱离的PLC的话，就应该采用一些继电器组成一个电路，能实现手动操作的功能。然而，这些用现成的继电器设计连接的电路是远不如PLC来的可靠的。这就是为什么手动程序仍然选择PLC来完成的原因。

手动程序的编程是要求满足一些逻辑关系的，这些逻辑关系是操

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作量和输出量之间的必然的关系。第一，当给料电机运行时，给料仓阀门应处于打开位置;第二，当给料电机运行时，称重仓阀门应处于关闭位置;第三，当称重仓阀门处于打开位置时，不允许给料电机的运行;第四，称重仓阀门打开前，应先起动位于称重仓下方的集料皮带;第五，给料仓阀门可以不关闭。

根据这些逻辑关系，可以制定出一个控制顺序，严格按照顺序来运行的话就会遵守这些逻辑关系。首先，打开给料仓阀门，起动电机，手动电机给料只有快速一个速度;然后根据给料的值，到最后期间以振动给料，当给料值结束时，停止给料电机，打开集料皮带控制电机、称重仓阀门，进行下料。下料完毕，关毕集料皮带和称重仓阀门。进行下一次给料。手动程序的流程图在这里就不做展示了。 5(4(5 加料程序

加料程序是单纯的从加料开始，到加料结束的一个自动加料程序，包含于自动程序。加料程序是一个FB块，4个料斗的加料都靠它一个程序来完成，它的背景数据块为4个，分别是DB1,DB2,DB3,DB4。它们分别对应着料仓1，料仓2，料仓3和料仓4。这们的关系图见图12。加料程序的流程图见图13。

1,仓的背景数据块DB1

2,仓的背景数据块DB2

加料程序FB1

3,仓的背景数据块DB3

4,仓的背景数据块DB4

图12 背景数据分配图

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加料程序开始

设定值，补偿值

,本次应加值

实际值>应加值-5?实际值>应加值×70,实际值>应加值×90,YYN

NYN

停止加料输出快速输出中速输出慢速计算补偿值

加料结束

程序结束

图13 加料程序流程图

5(4(6 顺序控制程序

顺序控制程序是自动程序的一个环节，它的作用是将从WinCC上输入到PLC的适于顺序的数字依次提取出来，以便使自动程序能按照人为设定的那样依次使加料仓进行加料。顺序控制程序的原理是将一个十进制数依次进行提取，每次一位，每一位代表当前要加料的料仓号，取完一遍后再从头开始，这样循环下去就会始终按照人为设定的那样进行加料控制了。

而人为地也可以对加料顺序在加料过程中进行修改，因为在每次的加料过程中，PLC程序会将加料顺序值读取到内存中，当一次的循环结束后，才又会从WinCC的给定值重新读取。也就是说，当WinCC中的加料顺序改变后，PLC也不会马上响应，它会在本次的加料顺序完成一遍之后再去响应新的加料顺序。具体的加料顺序控制程序流程

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图见图14。

程序开始

读取顺序

提取最低位

累加器加1

对数据除以16

N

Y此位是否为0累加器清0Y计数是否为4

N

输出到程序

图14 顺序控制流程图

结束语

随着世界工业的快速发展，钢铁的需求也越来越大，因此，如何提高钢铁的产量和质量成为许多钢铁企业生存和发展的重要问题。目前，以应用工业计算机、PLC的自动控制技术已经在高炉炼铁过程中得到广泛应用。

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本文针对高炉上料测控系统进行设计，得出以下结论: 、

1(通过对高炉炼铁工艺流程、控制要求以及相关设备的具体分析，提出了高炉上料测控系统总体设计方案。

2(根据系统的工艺流程、控制要求找出系统的输入,输出点数，在此基础上对PLC进行选型，同时选择电机和变频器的类型。

3(在分析了高炉槽下配料和炉顶系统的特点后，编制出系统的程序流程图，并完成了对系统的PLC程序的设计。

由于时间关系以及经验上的不足，系统中还有一些不够完善的地方。展望今后，还有很多的工作要做。首先，在系统今后的生产过程中，如果出现一些意想不到的问题，或者有不尽合理的地方，要进行随时的修改，进一步完善控制方案，优化控制技术手段。在系统稳定运行后，通过对生产数据进行全面的分析，找出过程控制、生产管理问题，达到比较高的物流管理水平，最大程度优化高炉的上料系统。

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谢 辞

在这段时间的设计过程当中，首先要感谢我的设计老师——李老师。我从无到有，从不会到出成果，完全是在老师的细心指导、耐心培养下完成的。同时，在本次毕业设计过程中，我们深深感受到了李老师对我们的关怀，以及他在学习和工作中的严谨作风。不仅对课题的研究工作进行了悉心的启发和指导，并且在说明书撰写过程中，提出了许多:宝贵的意见和建议。他注重对我们思维方法的训练和实践能力的培养，使我们在学习和工作中既增加了理论知识又提高了自己提出问题和解决问题的能力。

三年来我的专业老师们对我的细心教导，是这些老师同时感谢这

们的共同努力下，我才能顺利地完成我的学业。在此，我对老师们为我的辛勤付出，致以我最诚挚的感谢～～～

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参考文献

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范文二：高炉上料系统

1. 电动胶带卸料小车

1.1卸料小车轨道的纵向中心线与胶带运输机纵向中线应相重合，公差为3mm ；轨道的水平度公差为1／1500，且全长不得大于10mm ；同一横截面内两轨面高低差不得大于2mm ；轨距极限偏差为±2mm ；接头错位不得大于lmm ；接头间隙极限偏差为+1 0 。

1.2卸料小车走行机构的组装，车轮跨距极限偏差为±2mm ；前、后轴应平行，两轴端的中心距之差不得大于2mm ；前、后轮两对角线长度之差不得大于3mm 。

1.3 电动胶带卸料小车试运转应符合下列要求：

1.3.1 卸料小车导向滚筒与胶带运输机的胶带串连后，调整行程极限，然后在全行程内往返3～5次。

1.3.2 卸料小车走行应平稳，输送带不跑偏，停止位置正确。

2. 称量漏斗

2.1 漏斗支承台架的纵、横向中心线极限偏差均为±5mm ；标高极限偏差为±5mm ；水平度公差为1／1000。

2.2 漏斗的纵、横向中心线极限偏差均为±5mm ；标高极限偏差为±5mm 。

2.3 称量漏斗的荷重传感器支承面或悬吊面应在同一水平面内，高低差不得大于lmm 。

2.4 称量漏斗通过杠杆机构与荷重传感器相连接时，吊挂漏斗的第一支点杠杆轴的水平度公差为0.5／1000。

2.5 漏斗应自由悬吊或支承在称量设备上，不得与其他结构相碰。

2.6 漏斗垂直升降闸门流嘴下缘至料车上部的距离极限偏差为±5mm 。

2.7 漏斗垂直升降闸门传动装置的滑轮，应保证钢绳垂直、在滑轮至闸门全长内铅垂度公差为3mm 。

2.8 漏斗闸门正常开闭3～5次，动作应平稳，无卡阻现象。

3. 振动筛安装

3.1振动筛弹簧底座的安装应符合下列要求：

纵、横向中心线极限偏差为±2mm ；

弹簧底座顶面标高极限偏差为±5mm ，且各弹簧底座相对标高差不大于2mm ；

各弹簧底座顶面纵、横向水平度公差为1/1000。

3.2振动筛筛箱的安装应符合下列要求：

纵、横向中心线极限偏差为±3mm ；

筛箱横向水平度公差为1/1000；

吊式安装的筛箱，安装标高极限偏差为±5mm 。

以万向联轴器传动的振动筛，在安装电机时，若电动机轴线低于激振器轴线之值，应符合设备技术文件的规定。

振动筛的筛箱与给矿溜槽排矿口的工作间隙应符合设备技术文件的规定，如无规定时，应不小于40mm 。

3.3振动筛的弹簧在装入之前应根据弹簧标记的实测刚度进行选配。

3.4移动式振动筛，移动小车轨道的安装应符合下列要求：

轨道纵向中心线极限偏差为±3mm ；

轨道标高极限偏差为±5mm ；

轨道纵、横向水平度公差均为1/1000；

轨道轨距的极限偏差，其轨距小于或等于4m 的为+2 0mm ，大于4m 的为 +4 0mm ；

轨道接头错位不应大于1mm 。

范文三：PLC控制自动上料系统

摘 要

在高炉冶炼中,各种原料如焦碳、烧结矿、球团矿和石灰石等以一 定比例经过准确称量后,经皮带运输到上料小车,再由上料小车送至高 炉内。传统的钢厂配料控制系统设备陈旧、精度低,不仅造成原材料的 浪费,更为严重的是导致许多工程质量不合格,因此需要一种高精度动 态配料控制系统。

本设计是基于 PLC 控制、组态软件监控显示、变频器调速的高炉 配料自动控制系统,而系统以 PLC 控制为核心。本设计为 4种原料的 配料系统, PLC 、变频器分别为西门子公司的 S7-300、 M440。投料系 统的交流传动利用西门子公司的 6SE70矢量型变频器和 PLC 结合来实 现。 PLC 程序的开发以西门子公司的 Step7作为软件平台,采用了面 向对象的程序设计技术,模块化的设计,从而使系统具有良好的可移 植性和可维护性。

在系统中, 通过上位机的控制界面设置配料的参数输出到 PLC , 然后 通过 PLC 自动控制协调各阀门的开关和变频器的输出变化对配料过程进 行控制, 称量斗上的传感器通过变送器将重量信号送回到 PLC , 以达到闭 环系统对给料的种类和速度的控制,并且对配料过程进行数据记录,使 配料过程有数可依,便于管理。

关键词 :自动配料,变频调速,自动补偿,可编程控制器 S7-300

引言

研究背景

随着课程的进度, 我们开始了学业的最后部分——毕业设计。 经 过了四年时间的学习,在老师的教导下,我们已经具备了一定基础, 为了能够将所学联系起来, 较好的应用到生产当中去 , 我们就需要在毕 业设计中好好的锻炼自己。在毕业设计中,我选择了这样一个题目就 是为了能较好的锻炼自己的应用能力以及分析问题、 解决问题的能力。 本设计的题目为高炉上料 PLC 控制系统,为工程类项目,是高炉 冶炼中的一部分。在高炉冶炼中,为了能高质量地进行冶炼,需要将 各种原料按照一定的重量和比例准确地添加到高炉中。

传统的钢厂配料控制系统设备陈旧、精度低,不仅造成原材料的浪 费,更为严重的是导致许多工程质量不合格,因此需要一种高精度动态 配料控制系统。 并且传统的配料以人为主体, 而人的操作总是有失误的, 并不如机器可靠。对机器来说,做这些工作可靠,并且精度高,有助于 提高生产力,大大优于人工配料系统,所以急需一种可靠的自动的控制 配料系统来改造旧的传统的配料模式。

本设计中,高炉冶炼中所需要的原料有很多,但工艺要求它们要 以准确的重量和配比添加到高炉中, 才能确保高炉反应以高质量进行。 配料过程是否准确完成在一定程度上从开始决定了高炉生产能否顺利 进行。所以,准确、快速、灵活的进行配料,对高炉冶炼来说具有重 大的意义。

本设计的第二部分为系统的概况与分析。介绍了,主要为工艺流 程和工艺与系统的联系。其中包括了工艺的重要性,工艺要求,还有 文献综述,列举了相关文献的内容以及参考资料等,这些资料对本设

计的理论指导和模型的建立有着莫大的帮助。系统的控制模块,包括 所用的 PLC 以及软件等的编程。系统完成的功能说明了该系统所能完 成的功能,这些功能也是根据工艺的特点所需要的,为了更好的完成 自动配料所需要的功能。系统的特点介绍了该系统在自动配料控制中 的优点。

第三部分介绍了配料系统和卷扬系统的工艺以及要求。

第四部分介绍了整个设计的硬件设计。包括了各硬件的规格和它 们之间的电路连接,以及 PLC 的硬件组态。

第五部分是关于 PLC 程序的设计过程,本设计的 PLC 程序以块为 结构,分为了若干的块,包括 FB 块 ,FC 块。这种结构是 S7-300的一 个特点,这样的结构对于编程本身非常有利。另外,这种结构的程序 在运行的时候会非常的稳定。

1 系统的概况与分析

1. 1 配料系统概况

高炉上料系统一般由焦炭仓 , 球团矿 / 烧结矿仓 , 石灰石 / 白灰石 仓以及原矿或废铁仓组成 ; 每一个料仓下面设有一台电动给料机和一 台料斗计量秤 ; 料斗的下部装有电动或液压卸料机构 ; 有 1 - 2 条皮带 机组成的运料机构把料斗型计量秤卸下的物料送到上料料车中去 ; 每 当高炉内的料位下降到一定程度时 , 启动卷扬机把料车提到炉顶 ; 并分 时打开小料钟和大料钟把物料送入炉内。

1. 2 料车卷扬系统概况

高炉上料系统的主要任务是把炉料运送到高炉炉顶,装入炉顶受 料斗中。高炉卷扬上料小车是高炉炼铁中的主要尘产设备之—。卷扬 上料小车在整个系统中起着至关重要的作用,该设备能否正常运行直 接影响高炉炉况、产品的质量和产量。为了满足冶炼要求,必须合理 确定控制方案。控制方案不仅与设计和选用设备有关,而且直接影响 高炉的操作条件。

1、 料车卷扬机采用 SINMENS 6SE70系列变频器实现交流变频调速 控制。 通过 RS-232总线连接到主 PLC , 由 PLC 控制料车卷扬机的启动、 停止、高速、低速、加速、减速,并把检测到料车卷扬机的系统故障 信号传输给 PLC 进行处理。 [1]

2 、料车的主要控制步骤

●料制由操作人员编制完成;

●槽下矿石汇总斗、焦碳称量斗称量料满;

●卷扬机开动料车到料坑底;

●开启矿石汇总斗或焦碳称量斗闸门;

●矿石汇总斗或焦碳称量斗放料至料空;

●关闭矿石汇总斗或焦碳称量斗闸门;

●料车显示料满信号;

●卷扬机开动料车到炉顶;

●料车到炉顶后延时 5秒显示料车料空,与此同时 异侧料车在料坑底装料;

●上料过程中可加入“焦碳越位” 、 “空车”调整料 制,但不记入上料料制中。

1. 3 文献综述

高炉上料系统一般由焦炭仓 , 球团矿 / 烧结矿仓 , 石灰石 / 白灰石 仓以及原矿或废铁仓组成 ; 每一个料仓下面设有一电动给料机和一台 料斗计量秤 ; 料斗的下部装有电动或液压卸料机构 ; 有 1 - 2 条皮带机 组成的运料机构把料斗型计量秤卸下的物料送到上料料车中去 ; 每当 高炉内的料位下降到一定程度时 , 启动卷扬机把料车提到炉顶 ; 并分时 打开小料钟和大料钟把物料送入炉内。这就是高炉上料系统的流程。 针对这个流程,要设计一个自动控制系统,智能的完成此配料过程。 高炉炼铁生产是连续性作业 , 如果入炉料的矿石 / 焦炭比例波动 大 , 则引起炉温产量的波动 ; ,从而对产品的质量和都带来不利的影响 , 因此入炉料重量的稳定是高炉炼铁生产稳定顺行的前提条件 [1]。 所以,本设计应主要解决如下问题 :

1 物料准确计量和误差自动补偿 , 当配料过程中由于机械设备 的性能变动或物料的理化性能改变引起称量误差时自动找回误差值。 2 按炼铁工艺要求自动完成顺序上料 , 根据本高炉的炉况编制

上料制度并把该上料制度输入到控制系统后 , 控制系统自动完成上料 操作。

3 检测控制大小料钟和料尺 , 料线到规定值时发出允许上料讯 号 , 把料车的料送到炉顶。

4 打印记录生产数据和控制参数。

5 检测并屏幕显示系统工作情况 , 当外部机械设备发生故障时 及时发出报警信号和故障处理指令。

对于误差的补偿可以采用积累误差补偿法 [2], 这种方法主要是对 每一次的配料值都进行误差的计算,然后在下一次配料时进行补偿, 这样一来,每一次的补偿都相当于是对以往配料的一个总的补偿,那 么经过 N 次上料后, 相对差值就近于 0了。 这是一种比较好的补偿方法。 对于传感器来说,它的输出也有误差,也以进行补偿。用零极点配置 的方法 [3], 它的原理就是使动态补偿数字滤波器的传递函数是传感器 传递函数的倒数 , 则整个测量系统的传递函数为 1, 这样便具有理想 的频率响应特性。然而本设计中的传感器并不要求有太高的精度就能 满足要求。所以无需补偿。

电子秤 - PLC - 微机控制上料系统具有较高的可靠性和稳定性 , 大大减少了高炉入炉料的重量和配比的波动 , 消除了电气控制时的人 为误操作 , 为高炉炼铁生产过程连续稳定进行创造了条件 [4]。

在目前的自动配料控制系统中各个单位和不同环节的系统大同小 异, 基本组成分为三个单元:控制单元, 称重单元和上位机组态软件。 那么对于本系统的设计来说,电子秤作为测量仪器实现系统的回 路输入, PLC 作为控制环节的核心, 全面的进行控制、 和计算输出, 微 机作为上位机主要实现各种参数的输入和输出。流程中的一些可操作 控制等,并要求以友好、简洁明了的操作界面进行控制。这是一个比

较稳定、可靠的系统模式。那么,本设计也将采用这种电子秤 - PLC - 微机模式。

对于称重有很多种传感器,一般使用压阻式。传感器将压力信号 传至变送单元, 由变送器将信号转换为 4~20mA 或 1~5V 标准信号再送 至 PLC 的输入单元 [5],这样便形成了一个闭环控制系统。

电子秤方面实际上只要求有一个传感器和一个变送器即可,因为 对于显示和操作来说,都可以在友好的人机界面上完成。因为传感器 的输出信号很弱,而实际环境又是十分复杂的 [6]。所以要求传感器要 紧接着变送器进行连接。

根据现场复杂的环境, 可以选取西门子的 S7-300这款 PLC 。 它采用 可编程序的存贮器,用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定 时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字的、模拟的输入和输 出,控制各种类型的机械或生产过程。 PLC 具有通用性强、使用方便、 适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点 [7]。

然而这只是控制方面,对于下料仓的速度变化控制应采用变频器 控制。变频调速器本身的可靠性很高:一般情况下可连续使用 10 万 h 以上。而且变频器自带欠压、过压、过流、过载、过热以及失速等各 种保护功能 [9]。

与传统的交流拖动系统相比,利用变频器对交流电动机进行调速 控制的交流拖动系统有许多优点,如节能,容易实现有电动机的调速 控制,可以实现大范围内的高效连续调速控制,容易实现电动机的正 反转切换,可以进行高频度的起停运转,可以进行电气制动,可以对 电动机进行高速驱动,适应各种环境等等 [10]。

对生产过程进行打印记录是一个必不可少的功能,这里对此功能 提出以表重要。因为,及时记录和打印生产过程中的数据,使生产有

数可依,管理更系统,强化了炼铁生产计量管理手段 [11]。

本设计大致分为几个方面——组态软件的设计,电路设计, PLC 程序设计等。在上位机组态软件的设计中,主要包括控制画面、 数据显示画面以及上位机和 PLC 的通讯。在 PLC 设计中,主要包括 4种原料的顺序组合,阀门的顺序开关,模拟信号的采集,变频器的速 度控制以及配料的补偿算法。

根据系统工艺的要求和硬件的组成等因素完成之后进行一定的程 序开发,程序的开发是以这两个为前提的,也是最后对系统的运行起 决定性作用的一个重要环节。 程序开发分为两个大的方面:PLC 程序开 发和组态软件程序开发。

根据系统工艺的要求我们可将 PLC 程序分为三个大的方面:

1、手动操作

2、自动操作

3、数据采集

自动操作又分为三个大的方面:

1、顺序控制

2、加料控制

3、自动补偿

之所以这样划分一是根据系统的需要, 另外, S7-300这款 PLC 的编 程中可以以块为结构,称为用户程序结构。

组态软件的编程主要是控制画面的设计,将组态程序做好就能有 一个友好的界面来实现人与控制系统的结合,使配料在自动的情况下 进行,但人又可以在控制界面中对控制过程进行干预,并且监控配料 过程的进行,对过程数据进行考查和记录。

2 配料系统

2. 1 配料系统简介

高炉上料系统一般由焦炭仓 , 球团矿 / 烧结矿仓 , 石灰石 / 白灰 石仓以及原矿或废铁仓组成 ; 每一个料仓下面设有一台电动给料机和 一台料斗计量秤 ; 料斗的下部装有电动或液压卸料机构 ; 矿石在槽下经 振动给料机、振动筛后 (杂矿和溶剂不过筛 ) ,合格的矿石进入称量漏 斗,称量好的矿石再经过主皮带机运至料坑矿石汇总称量斗。碎矿皮 带机设在料坑两侧的筛下,筛下的碎矿由皮带机转运至返矿仓。焦碳 经由振动给料筛进入称量斗,在需要时直接进入料车。料坑内设有两 个矿石汇总称量斗闸门和焦炭称量斗闸门,分别将矿石、焦炭和各种 杂矿装入左右料车中.如图 1。

图 1 配料系统工艺流程图

2. 2 工艺要求

高炉炼铁生产是连续性作业 , 如果入炉料的矿石 / 焦炭比例波动 大 , 则引起炉温产量的波动 ; ,从而对产品的质量和都带来不利的影响 ,

因此入炉料重量的稳定是高炉炼铁生产稳定顺行的前提条件。自动化 上料控制系统主要解决如下问题 :

1、物料准确计量和误差自动补偿 , 当配料过程中由于机械设备的 性能变动或物料的理化性能改变引起称量误差时自动找回误差值。 2、按炼铁工艺要求自动完成顺序上料 , 根据本高炉的炉况编制上 料制度并把该上料制度输入到控制系统后 , 控制系统自动完成正装 , 倒 装 , 同装 , 分装以及混装等上料操作。

3、 检测控制大小料钟和料尺 , 料线到规定值时发出允许上料讯号 , 把料车的料送到炉顶。

4、打印记录生产数据和控制参数。

5、检测并屏幕显示系统工作情况 , 当外部机械设备发生故障时及 时发出报警信号和故障处理指令。

2. 3 系统实现的功能

1、实现各配料秤和集料皮带机的顺序起停、单机起停。

2、实现各配料秤的重量配比控制。

3、实现对配料的初始数值的设定。

4、报警。对经常出现的故障进行声光同时报警。

5、报表打印。人工干预,和定时打印各种时报、班报和月报等。

6、断电保护。断电后再次供电时,系统时行初始化复位,保证各 台设备均处于停机状态,以防发生人身和设备事故。

3 卷扬系统

3. 1 卷扬系统简介

高炉上料的形式主要有两种:一是卷扬料车上料, 二是皮带上料, 由于料车上料占地面积小,在中小高炉中得到广泛应用,如中型高炉

卷扬系统采用双电机控制,小高炉采用单电机控制。卷扬上料系统的 主要过程是:各种原料经过槽下配料后放入中间斗,料车到料坑后, 中间斗把料放如料车,中间料斗阀门关到位并且炉顶准备好后,料车 启动,经过一加速——二加速——全速——一级减速——二级减速— —检查位,到达炉顶停车。

3. 2 控制方案

3. 2. 1 上料及炉顶系统及主要电气设备

1、卷扬机构交流电机功率 160KW ,三相交流 380V 一台。

2、冷却风机电机 3.7KW ,三相交流 380V 一台。

3、料车制动器 1KW ,两相交流 380V 两台。

4、料车行程编码器, OMRON 一台。

5、智能主令控制器一台。

6、料车切换柜一面、交流变频传动柜两面(一用一备) , 制动电阻柜一面。

7、料车变频器选西门子 6SE70 200KW两台,配套制动单 元。

3. 2. 2 基本工艺要求

1、料车卷扬机:料车卷扬机按料车行程曲线运行;

2、在 PLC 操作台手动方式下,满足高、中、低速调速要 求;

3、 料车启动、 停车及加、 减速平稳, 速度控制受负载 (空 载或满载)影响较小;

4、主卷扬有钢绳松弛保护和极限张力保护装置(过流保 护) ;

5、料车有行程极限,超极限保护装置,低速检查保护; 3. 2. 3 设计方案

系统方框图如图 3所示

图 2系统方框图

本设计采用西门子公司的 6SE70全数字交流变频调速供电装置。 系统配置了配套制动单元和独立的制动电阻柜,采用能耗制动方式实 现卷扬系统的制动。供电装胃的工作方式选用一备—.用方式,通过 切换柜中的三刀双掷刀丌关完成备用切换,并配有触摸屏作为人机界 面。 每个变频器的控制信号通过切换柜的电 ‘ (设备求完成基本联锁及 控制,在主 PLC 与切换柜之间、操作台与切换柜之间利用继电器相互 隔离,使抖车的控制可以山 PLC 或操作台分别控制系统,提高整个系 统的可靠性。抱闸山 6SE70装冒中的抱闸专用控制功能来实现料车运 行中的抱闸控制及联锁控制。

在此过程中,各加减速设计主要是山与上料小车在斜桥上运行至 炉顶卸料时必须有一段弯轨。装满料的小车启动时也不宜有过大的冲

击。所以,采用变频器对其主卷扬电机频率进行转化来实现各种运行 操作。变频器频率的变化原则主要依据现场主令控制器的状态,现场 主令控制器的状态送到 PLC 输入端子,山 PLC 控制,通过 PLC 的开关 量输出端子控制变频器的频率,实现主卷扬的速度调整。启动后,电 机随之平滑、无级调速运转,如果运行中出现欠压、逆变器过载、电 机过载、故障等运行约束条件出现。综合报警就会动作,切断控制回 路,同时在逆变器面板上的数字监视器显示相应的故障信号.为了保 证载料小车上料周期,提高产量,减少小车故障。载料小车在上升或 下降过程中,运行状态分成三个阶段:低速段、高速段、低速段。 调速装置的交流进线是通过交流进线电抗器解耦,并且进线电抗 器设置在电源切换柜中,相当于两套变频器共用一台进线电抗器。在 切换开关后面分别接两台出线电抗器, 消除出线高次谐波, 保护电机. 高炉上料卷扬系统是炼铁生产中的关键设备,主要作用是将炼铁 所需的原料源源不断地送到高炉内,保证炼铁的正常需要,而整个高 炉上料卷扬系统的核心就是料车的主提升设备,交流变频调速可以获 得理想的效果。

电力电子变频器可分为交 -直 -交和交 -交两大类。

U/f恒定、 速度开环控制方式和转差频率速度闭环控制方式通用变 频器,基本上解决了异步电动机平滑调速的问题。然而,当生产机械 对调速系统的动、静态性能提出更高要求是,上述系统还是比直流调 速系统略逊一筹。 原因在于其系统控制的规律是从异步电动机稳定性、 起动及低速时转矩动态响应等方面的性能尚不能令人满意。考虑到异 步电动机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统,很难直接 通过外加信号准确控制电磁转矩,但若以转子磁通这一旋转的空间矢

量为参考坐标,利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的转换,则可以 把定子电流中的励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来,进 行分别控制。这样,通过坐标变换重建的电动机模型就等效为一台直 流电动机,从而可象直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制即矢 量控制。

矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流 矢量,根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进 行控制,从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机 的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩 的电流矢量(转矩电流)分别加以控制,并同时控制两分量间的幅值 和相位, 即控制定子电流矢量, 所以称这种控制方式为矢量控制方式。 原理结构如图 4所示:

图 3

采用矢量控制方式的通用变频器不仅可以在调速范围上与直流电 动机媲美,而且可以控制异步电动机产生的转矩。

主卷扬系统的特点是卷扬电机工作频繁,负荷重,启动转矩要求 高,要有足够的运载能力。变频器设计转矩计算比较复杂,实际选用 时多以经验选型, 变频器容量应比卷扬电机容量大 1~2档。 根据卷扬系

统电动机的额定电流和负载特性,选择富士 FRENIC5000G11S 通用变频 器。

3. 3 料车定位

高炉卷扬料车的传统定位方式是机械的主令控制器,目前来看, 使用起来有很多问题,定位精度差,现场环境恶劣,机械触点容易氧 化,位置发生变化后,必须休风,跑几次空车,调整料车位冒。我们 现在采用的方案是智能主令控制器与编码器 (PLC)结合对料车进行定 位,料车定位采用绝对值编码器来完成,信号是格雷码,以开关量的 形式送给 PLC ;主令控制器采用增量式编码器,脉冲信号送给主令控

联结机构

卷扬减速机

主令控制箱

图4 zklk系列主令控制器产品结构及工作原理图

制器的内部小 PLC 。

料车定位编码器通过 Profibus — DP 与 PLC 联网。通过数字面板 来调整料车位置 , 如料车位置发生变化, 只需在数字面板上改变料车位 罟的数值即可完成对料车的定位。同时,主令控制器所检测到的数据 与主 PLC 中的数据相比较, 差小于允许值时认为定位准确。 图 5为 ZKLK

系列主令控制器产品结构及工作原理图。

部件采用先进、可靠的 SIMATIC 可编程序控制器 (PLC)和 OMRON 旋转编码器组成。主令控制器主要山传感器单元、处理控制单元、电 缆及联接单元三部分组成。核心主令控制器主要山传感器单元、处理 控制单元、电缆及联接单元三部分组成。核心系统通过齿轮将主卷扬 减速机的低速轴同传感器箱啮合,减速机带动卷扬滚筒转动,从而 实现对料车位冒移动的控制,并将移动的距离传给旋转编码器产生位 胃码送给 PLC ,通过其 CPU 的程序处理实现精确定位或限位,发送相 应的控制信号和保护输出, 这样, 被控对象的位置就实现控制; 同时, 控制箱上的操作面板通过 PPI 通讯与 PLC 联接,这一良好的人机界面 使得被控对象的当前位置显示准确直观、 参数的设定与调整简洁方便。

4 系统硬件说明

4. 1 PLC简介

一、 PLC 的发展历程

在自动化控制领域, PLC 是一种重要的控制设备。在工业生产过 程中,大量的开关量顺序控制,它按照逻辑条件进行顺序动作,并按 照逻辑关系进行连锁保护动作的控制,及大量离散量的数据采集。传 统上,这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。 1969年,美国 数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置,首次采用程 序化的手段应用 于电气控制 ,这就是第一 代可编程序 控制器,称 Programmable Controller (PC ) 。 后 来 可 编 程 序 控 制 器 定 名 为 Programmable Logic Controller(PLC ) 。它采用可编程序的存贮器, 用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算

等操作的指令,并通过数字的、模拟的输入和输出,控制各种类型的 机械或生产过程。 PLC 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性 高、抗干扰能力强、编程简单等特点。 PLC 在工业自动化控制特别是 顺序控制中的地位,在可预见的将来,是无法取代的。

二、 PLC 的构成

从结构上分, PLC 分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式 PLC 包括 CPU 板、 I/O板、 显示面板、 内存块、 电源等, 这些元素组合 成一个不可拆卸的整体。模块式 PLC 包括 CPU 模块、 I/O模块、内存、 电源模块、底板或机架,这些模块可以按照一定规则组合配置。 三、 PLC 的编程器

编程器是 PLC 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件, 用于编程、对系统作一些设定、监控 PLC 及 PLC 所控制的系统的工作 状况,但它不直接参与现场控制运行。目前一般由计算机(运行编程 软件)充当编程器。 STEP 7是用于 SIMATIC 可编程逻辑控制器组态和 编程的标准软件包。 STEP 7的功能如下:

- 可通过选择 SIMATIC 工业软件中的软件产品进行扩展

- 为功能模板和通讯处理器赋值参数

- 强制和多处理器模式

- 全局数据通讯

- 使用通讯功能块的事件驱动数据传送

PLC 的这些的诸多优点就注定了它要成为工控系统中不可被替代 作用。 稳定, 可靠, 强大的功能, 这正是工业控制中所越来越需要的, 是发展的趋势。

4. 2 PLC模块配置

S7-300PLC 采用背板总线的方式将各模块从物理上和电气上连接 起

来。除 CPU 模块外,每块信号模块都带有总线连接器。安装时先将总 线连接器 CPU 模块并固定在导轨上,然后依次将各模块装入。电源模 块与 CPU 模块和其它信号模块之间是通过电缆连接。 [11]

1. PLC 的中央处理器 CPU315

CPU315是 S7-300的大脑,其装载存储器的基本容量为 48K 字节或 80K

字节,可用存储卡扩充装载存储器,最大容量可达到 512KB 。每执行 1000条二进制指令约需 0. 3ms ,最大可扩充 1024点数字量 I /0或 128路模拟量通道。 CPU315内装硬件实时时钟。

CPU315的操作系统是事件驱动的用户程序扫描过程。 CPU 响应哪 个事件,操作系统自动调用该事件的组织块 0B . CPU315可调用 12日 个功能块 FB(0— 127) ; 12日个功能调用 FC(0— 127) ; 127个数据块 DB(1— 127, 0保留 ) 。 0B , FB , FC , DB 的容量均不大于 8KB 。此外, 还有 38个系统功能块 SFC 集成在操作系统中供用户调用:有 9个系统 数据块 SDB 装载 S7-300系统参数。 CPU315适用于要求高速处理和中 等 I /0规模的任务。 它可以装载中等规模的程序, 并具有中等的指令 执行速度。

2.接口模块 IM360和 IM361

当 PLC 系统的规模较大时, 一个机架不能容纳所有的模块时, 就要增

添扩展机架,这时装有 CPU 的机架称为主机架。主机架和扩展机架之 间通过接口模块 IM1360和 1M361形成统一的整体。 每个机架的接口模 块通过总线连接器连接到 I /0模块。 接口模块是自组态的, 无需进行

地址分配。具有指示系统状态和故障的发光二极管 LED 。如果 CPU 不 确认此机架,则 LED 闪烁。

一个系统可以有中央机架和最多三个扩展机架,每个机架最多 八个扩展

模块,相邻机架的间隔为 4厘米到 10米。

IM360必须安装在 S7-300的 0号主机架上:数据通过连接线 368山

IM360传输到 IM361:IM360和 IM361之间的最大距离不超过 10米。 IM361接口模块安装在 S7— 300的 l 号到 3号的机架上;数据通过连 接线 368由 IM360传输到 IM361,再从 IM361传输到下个机架上的 IM361; 每个 IM361需要一个外部 24V 电源, 向扩展机架上的所有模块 供电。可通过电源连接器连接 P5307负载电源。

3.通讯处理模块 CP343— 5

CP343-5通讯处理器是用于 PROFIBUS-FMS 总线系统的 SIMATIC 57—

300的通讯处理器。 它内部带有微处理器, 用来分担 CPU 的通讯任务, 并支持其它的通讯连接。 它可以通过 PROFIBUS — FMS~PROFIBUS站点通 讯:与编程器、 人机界面装置进行通讯:与其他 SIMATICS7— 300系统 进行通讯。 CP343— 5通讯处理器具有 SIMIITIC57—— 300系统结构紧 凑的优点,其 9针 D 型连接器用于连接 PROFIBUS , 4针端子排用于立 连接外部 24V 直流电源电压。

4. 32路数字输出模块 SM322 D032*24VDC/05A

数字输出模块将 S7-300的内部信号电平转化为控制过程所需 的外部信

号电平。按负载回路使用的电源不同分为:直流输出模块、交流输出

模块和交直流两用输出模块。

SM322D032*24VDC/O . 5A 属于晶体管输出方式的模块, 只能带 直流

负载:32个输出点,分成 8组; 0. 5A 的输出电流;该模块输出具有 短路保护功能,适用于连接电磁阀、接触器、小功率电机灯和电机启 动器。其前视图与原理图如图 7所示,图中可以看出背板总线接口产 生的位电平信号驱动光电祸合器,实现与外部电路的隔离。

5. 8路 12位分辨率模拟量输入模块 SM331

SM331:AI8*12Bit是 8通道的模拟量输入模块, 在系统中用于 输入电

子称的测量值. 模块主要是由 A /D 转换部件、 模拟切换开关、 补偿电 路、恒流源、光电隔离部件、逻辑电路等组成。

A /D 转换部件是模块的核心, 其转换原理采用积分方法。 积分 式 A /

D 转换的积分时间直接影响到 A /D 转换时间和 A /D 转换精度。积分 时间越长,被测值的精度越高。 SM331可选的积分时间有:2. 5ms , 16. 7ms , 20ms 和 l00ms 。 在我国为了抑制工频及谐波干扰, 一般选用 20ms 的积分时间,相应精度为 12位。

S7— 300的 CPU 用 16位的二进制补码表示模拟量的值, 其中最 高位为

符号位 S 。 “ 0”表示正值, “ +1“表示负值。 S7— 300模拟输入模块的 输入测量值范围很宽, 可直接输入电压、 电流、 电阻、 热电偶等信号。 它用于连接不带附加放大器的模拟执行元件和传感器,可以将扩展过 程中的模拟信一号转化为 S7— 300内部处理用的数字信号。

SM331的 8个模拟量输入通道共用一个积分式 A /D 转换部件。

即通过

模拟切换开关,各个输入通道按顺序一个接一个转换。某一通道从开 始转换

模拟量输入值起,一直持续到再次开始转换的时间称为输入模块的循 环时间。循环时间是对外部模拟信号的采样间隔。对于一个积分时间 设定为 20ms , 8个输入通道都接有外部信号且都需断线监视的 SM331, 其循环时间为 (22+10)*8=256ms。

SM331的每两个输入通道构成一个输入通道组,可以按通道组 任意选择

测量方法和测量范围。 模块上需接 24VDC 的负载电压 L+, 有反接保护 功能。模块与 S7--300CPU 及负载电压之间是光电隔离的。 SM331: A18*12BIT模拟量输入模块的电气原理图如图 8所示。

另外,为了使模拟量输入模块获得最佳的抗干扰性能,可以将 不使用的

通道与 M 短接。

6.电源模块 PC307(5A)及其容量计算

PS307电源模块的输入接单相交流, 输入电压为 120/230V , 50 /60HZ ;

输出电压 24VDC ,输出电流 5A ;在输入和输出之间有可靠的隔离。 图 9是 PS307(5A)电源模块前面板。 电源输出指示器用一个 LED 指示

24伏直流输出。如果正常输出额定电压 24V ,则绿色 LED 点亮:如输 出电路过载,则 LED 闪烁;输出电流长期在 5A 到 7A 之间时,输出电 压下降, 电源寿命缩短; 电流超过 7A 时, 电压跌落, 跌落后可自动恢 复;如输出短路,则输出电压为 0v , LED 变暗,在短路消失后电压自

动恢复。 PS307(5A) 的基木电路图如图 10所示. [12]

在实时控制系统中,接地是抑制干扰使系统可靠工作的主要办 法。如能

把接地和屏蔽正确结合起来使用,可以解决大部分一千扰问题。 在确定所有的模块并组建 S7— 300系统时要选择合适的电源模 块。其选

择准则是电源模块的输出功率必须大于 CPU 模块与所有 I /0模块之 和, 并且要有 30%左右的余量。 故在设计系统时考虑每块模块的电流 消耗和功率损耗是非常必要的。表 1列出了在 24V 直流负载电源下, 所选用的各种 S7— 300模块的心流损耗以及从 24V 负载电源吸取的电 流。 [14]

表 1 各模块电源容量表

机架 0上 24V 电源由 CPU315向其它模板供电、 另外插入 IM360, CP343 — 5各 1块, SM331模拟输入板 2块, SM322数 字输出板 3块。这些模块从 S7— 300背板总线吸取的电流为

350+70+2*60+3*70=750(mA)

没有超过 CPU315所能转供的电流 1. 2A.

机架 1上由 24V 电源通过 IM361向其它模板供电,另外插入 SM322一

块,数字输入板 SM321共 5块,这些模块从 S7— 300背板总线吸取的 电流为

70+5*25=185(mA)

也没有超过 IM361所能转供的电流 0. 8A .

那么各模块从 24V 电源吸取的总电流为

1000+600+2*60+4*100+5*1+500=2625(mA)。

考虑到电源应留有一定的余量, 所以电源模块应选 PS307(5A). 4. 3 称重变送器的分析和设计

随着工业自动化的发展,计算机技术在工业生产过程中的广 泛应用,在

冶金、化工、煤炭等连续生产的工业中都提出不同形式的连续自动称 量以及配料控制等要求,传统的机械杠杆式称重装置己不能满足。目 前工业应用的各种大、中型重量变送器 (电子秤 ) ,按其用途区分,常 见的有以下几类:

——容器秤主要对液体、颗粒状或粉状料进行称重和配料 ; ——吊钩秤对大型构件、集装箱等在吊卸运输过程中进行称 重;

——皮带秤对散装物料在皮带运输过程中进行称重 ;

——平台秤有地中衡、汽车衡等 ;

——轨道秤专用于铁道车辆称重。

称重传感器本质上是测量质量受到地球引力的作用而产生的 力,所以电

子秤在移到不同的地方时,必须对该秤重新较准。电子秤山承重和传 力机构、称重传感 29、电子测量显示仪表和电源等部分组成。电子称 的称重变送器的功能是把机械力转换成一个电信号,可以远距离地传 送,显示、记录,并可由计算机进行数据处理,给出控制信号,进而 实现生产过程的自动化。称量传感器被做成密封型,从而有良好的防 潮、防腐蚀性能,可以在恶劣环境下工作。

电子称是槽下配料系统中的必备设备。在该系统中, 4个矿 斗的称重、

2个中间仓和 2个焦仓的称重工作均由电子秤来完成。使用的这种电 子称是容器秤的一种,对料斗中的矿石和焦炭进行称重。容器秤由三 个荷重传感器支撑料斗进行重量的检测。 采用的是电阻应变式传感器。 在矿斗、中间仓和焦仓底部设有称重变送器,称重变送器将其所受的 矿石压力转换成电信号进行传送,并通过 LED 显示出矿石的重量。 电阻应变式称重传感器是将应变电阻片粘贴在测量压力的弹 性元件表

面上,当被测压力变化时,弹性元件内部应力变化产生变形,这个变 形应力使应变片的电阻也产生变化, 这称为电阻应变效应。 实验证明, 在电阻丝拉伸比例极限内,电阻的相对变化与应变成正比,因此可以 通过对电阻的测量来测量压力。

控制系统中一般必须将物理量转化为便于利用的电流或电 压,因此需要

把电阻的变化进一步转换成电流或电压的变化。电桥测量电路是进行 这种变换的常用方法。根据电源不同,电桥可分为直流电桥与交流电

桥。交、直流电桥的原理相似,为便于说明,下面就如图 3. ? 所示直 流电桥对其测量原理进行分析。

图 1l 中 E 和 R 为高稳定的精密电源和电阻。当传感元件 R 、 处于其某

基准状态 R 时 (如空载时 ) ,电桥处于平衡状态,输出电压 V 0为 0。当 重量变化时,传感元件的阻值变化为只 R(1+δ) ,将导致电桥处于不 平衡状态:

V0=E[1/2-R/[R+R(1+δ) ]=E*δ/2*(2+δ) (1)

图 5电桥工作原理

4.4变频器的简介及选型

变频调速是近代电气工程中发展最快的一种电动机调速方式, 变频 2D 的优良性能其在工业中得到越来越广泛的应用。 t , 4]本次设计中 使用 PLC 控制变频器的控制端, 变频 gD 在料车起步和停车时实现变速 控制,在启动时缓起,在停止的时候缓停。异步电动机本身可以正反

转运行,对于使用工频供电的电动机,只需改变电动机电塬的相序, 即可以改变电动机的转向。当使用变频 2S 作为电动机电源时 , 有些变 频 8S 具有控制电动机正反转的功能, 有的不具备此功能。 对具有正反 转控制功能的变频器,可以利用接触器切换变频器输出的相序,在设 计它的控制电路时,需要考虑不可将电动机直接从正转切换到反转, 应该确保电动机已经停止,再切换到反转,否则,切换的过程中会产 生很大的电流,将会对变频器和电动机产生损害。

1.变频器的工作原理和控制方式

(1)变频器工作原理

我们知道,交流电动机的同步转速表达式为:

n=60 f(1一 s) /p

式中 n——异步电动机的转速;

f——异步电动机的频率:

s——电动机转差率;

P——电动机极对数。

山上式可知,转速 n 与频率 f 成币比,只要改变频率 fBp 可改变 电动机的转速,当频率 f 在 0— 50Hz 的范围内变化时,电动机转速调 节范围非常宽。 变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的, 是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

(2)变频器控制方式

低压通用变频输出电压为 380~650V , 输出功率为 0. 75— 400kW , 工作频率为 0~

400Hz , 它的主电路都采用交一直一交电路。 其控制方式经历了以下四 代。

① U /f=C的正弦脉宽调制 (SPWM)控制方式

② 根据电机学的原理,异步电动机的同步转速山电频率和电机 极数决定,在改变频率时,电机的同步转速随着改变。当电 机负载运行时,电机转子转速略低于电机的同步转速,即存 在滑差,滑差的大小与电机的负载大小有关。

U/f 恒定控制是在控制电动机的电源变化的同时控制变频器的 输出电压, 并使二者之比 U /f 恒定。 从而使电动机的磁通基本保持恒 定。其特点是控制电路结构简成本较低,机械特性硬度也较好,能够 满足一般传动的平滑调速要求,已在产业的各个领域得到广泛应用。 但是,这种控制方式在低频时,山于输出电压较低,转矩受定子电阻 压降的影响比较显著,使输出最大转矩减小。另外,其机械特性终究 没有直流电动机硬,动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意, 且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化,转矩响应慢、电 机转矩利用率不高,低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性 能下降,稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。 ② 电压空间矢量 (SVPWM)控制方式

它是口二相波形整体生成效果为前提, 以逼近电机气隙的理想圆形 旋转磁场轨迹为目的,一次女成二相调制波形,以内切多边形逼近圆 的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进,即引入频率补偿,能 消除速度控制的误差:通过反馈估算磁链幅值,消除低速时定子电阻 的影响;将输出电压、电流闭环,以提高动态的精度和稳定度。但控 制电路环节较多,且没有引入转矩的调节,所以系统性能没有得到根 本改善。

③ 矢量控制 (VC)方式 [9]

根据异步电动机的动态数学方程式,它具有和直流电动机的动态 方程式相同的形

式,因而如果选择合适的控制策略,异步电动机应能得到和直流电动 机类似的控制性能,这就是矢量控制。

从产生电动机的旋转磁场看,三相绕组中通以三相对称电流可以 产尘圆形旋转磁

场,二相绕组中通以互差的电流亦可以产尘圆形旋转磁场,因而从磁 场作用看,三相绕组产生的磁场可以用二/;目绕组产生的磁场宋等 效。矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子 电流 Ia 、 Ib 、 Ic 通过三相一二相变换, 等效成两相静止坐标系 F 的交 流电流 Iai 、 Ibl ,再通过按转子磁场定向旋转变换,等效成同步旋转 坐标系下的直流电流 Iml 、 Itl(1ml相当于直流电动机的励磁电流; Itl 相当于与转矩成正比的电枢电流 ) ,然后模仿直流电动机的控制方法, 求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,实现对异步电动 机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机,分别对速度, 磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链,然后分解定子电流 而获得转矩和磁场两个分量,经坐标变换,实现下交或解耦控制。矢 量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中,山于转子 磁链难以准确观测,系统特性受电动机参数的影响较大,且在等效直 流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂,使得实际的控制效果 难以达到理想分析的结果。

④直接转矩控制 (DTC)方式

和转矩。它不需要将交流电动机锌效为直流电动机,因而省去了矢量 旋转变换中的许多复杂计算:它不需要模仿直流电动机的控制,也不 需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。该技术在很大程度上解决 了上述矢量控制的不足, 并以新颖的控制思想、 徇沽明了的系统结构、 优良的动静态性能得到了迅速发展.目前,该技术已成功地应用在电

力机车牵引的大功率交流传动上。

2.变频骆的功能及特点, , :1

SINMENS 6SE70系列变频器在所有功率范围中的装冒和系统元件 都有一个统一的设计和相同的接线系统。它们能以任何方式组合井能 并列安装以满足传动系统各种要求。 6SE70系列矢量控制的变频器是 采用 IGBT 元件、全数字技术的电压源型变频器 . 它同西门子三相交流 电动机一起为所有工业领域和所有应用场合提供高性能、最经济的解 决方案。

选用西门子矢量型变频调速器 6SE70,特点如下:

(1)工业型变频器,比通用型产品更适合于环境恶劣的 T,Ik 生产 现场。

(2)标准化及模块化。 整个变频器的结构非常紧凑, 主板及扩展板 都是通过总

线插槽连接。山于集成度的提高,使装冒具有很高的可靠性。 (3)抗干扰性好,运行可靠,不受元器件老化和温度漂移的影响, 能长期保持稳定的控制精度。

(4)适应电源电压波动范围广,能自动适应电网频率变化 45— 65HZ 。

(5)具有很强的自诊断处理功能,提供有关故障原因的补充信息, 使故障排除更为简单,维护方便。

(6)灵活多变的通讯能力。 32位 CPU 全数字控制, 组态功能丰富。

(7)可针对具体交流电机进行优化,以达到优良的控制性能。

(8)低速时也能提供额定转矩。

5 PLC程序设计

5. 1 程序简介

STEP 7是 S7-300系列 PLC 的编程软件。梯形图、语句表(即指 令表) 和功能块图是标准的 STEP 7的 3种编程语言, 这 3种语言可以 在 STEP 7中相互转换。在本设计中均采用了梯形图的编程方式。 另外,在本设计的程序中所应用的 S7-300的一个重要的功能就 是程序的块结构。 主程序的块为 OB1, 那么在主程序块中扩展了 FC 块 和 FB 块。 FC 块为用编写的包含经常使用的功能的子程序, 无存储区, 其临时变量都存储在数据堆栈中,功能执行结束后,这些数据就丢失 了。 FB 块是用户编写的有自己的存储区(背景数据块)的块,每次调 用功能块时需要提供各种类型的数据给功能块,功能块搬弄是非返回 变量给调用它的块。这些数据以静态变量(STAT )背景数据块中的数 据不会丢失,但是不会保存局域数据堆栈中的数据。也就是说用一个 FB 块就要定义一个或几个 DB 块与之对应。这些便是在本设计中所应 用到的四种块,其它不做介绍。

5. 2 程序设计思想

本设计中主要流程是以块为基础的循环扫描过程,即在块 OB1中 为共享应用程序、 手动程序 (FC 块) 和自动控制程序(FC 块) 的循环 过程,在自动控制程序中为顺序控制程序(FC 块)和单个料仓的自动 加料程序(FB 块) (共 4个) 。

采用这种结构的程序,看起来结构比较鲜明、工整、严谨,并且 在查错的时候也比较方便。 另外, 对于 FB 块为单个料仓的自动加料程 序,那么它就对应了 4个 DB 块,分别为 1~4号料仓的数据块。这样 一来就节省了一定的程序,因为 4个加料过程共用一个加料程序,而 且使数据分别用自己的块,这样有利于数据的记录。

具体的程序块调用的分层结构见图 6。

图 6 程序组织结构图

5. 3 系统应用的算法

在本设计中, 所应用的算法有配料的自动补偿, 配料顺序的读取, 和信号的采集等。 应用的算法决定了编程的思路以及程序的稳定性等。 1、 自 动补偿

在自动配料过程中,加料的准确度也是有限的,误差在约在 1~ 5Kg 左右(根据物料的颗粒的大小) 。那么当出现了有误差之后,在下 一次的加料过程中,就要求对上一次的加料误差进行一定的补偿。本 设计中,的补偿算法就是对本次的加料值进行记录,并与设定值进行 比较,差值记录下来,作为下一次的补偿值。

补偿值=本次设定值—实际加料值

下次应加值=设定值+上次补偿值

这样一来,本次的加料差值就会在下一次的加料中得到补偿,然 而补偿也并非准确,这时的差值又会在下下次的加料中得到补偿。依

次类推,经过多次加料后,实际的误差值就很小了,相当于一次加料 的误差。

2、 配 料顺序

配料顺序的算法主要为编程的算法,用于将在 WinCC 上设定的顺 序提取出来,并按此实际地安排加料顺序。

在 WinCC 中,设置了一个数字输入框,由此输入加料的顺序。如 果要设置加料顺序为 4#, 2#, 3#。则在输入框输入“ 324” 。这个 数字将被送到 PLC 的内存中,然后程序按取余顺次取出 4、 3、 2等, 并以此做为加料顺序,指导加料程序工作。

3、 信 号的采集

本设计中用到了 4个 16位的模拟信号输入模块, 将变送器送来的 4~20mA 的模拟信号转化为 16位的数字信号, 为了避免信号的抖动和 干扰对采集的结果造成影响,所以,对信号的采集做了一个程序。这 个程序的控制算法实际上就是对从模拟块采来的数字值进行累加,累 加 10次后然后取平均值, 这样, 就可以减小了干扰所带来的影响。 而 且,由于程序扫描周期非常的快,这样的信号采集程序对控制程序来 说不会发生滞后,而且还会使控制更准确。

5. 4 程序说明

在介绍程序之前,先介绍一下本设计在编程过程中解决所遇到的 问题所用到的一些知识或者编程经验等。

1、 在用户程序中, 同一编程元件的线圈使用了两次或多次, 称为 双线圈输出。

图 7中有输出继电器 Y0的两个线圈, 在同一扫描周期, 两个线圈 的逻辑运算结果可能刚好相反, 即 Y0的线圈一个 “通电”, 一个 “断

电”。因为在程序执行完后才将 Y0 的 ON/OFF 状态送到输出模块, 对于 Y0控制的外部负载来说, 真正起作用的是最后一个 Y0 的线圈的 状态。

图 7 双线圈输出

由 P L C 的工作原理可知, PLC 程序执行的结果(即运算得到的 线圈的通断状态),马上就可以被后面的逻辑运算使用。 Y0的线圈的 通断状态除了对外部负载起作用外,通过它的触点,还可能对程序中 别的元件的状态产生影响。图 1a 中 Y0两个线圈所在的电路将梯形图 划分为 3个区域。 因为 PLC 是循环执行程序的, A 区和 C 区中 Y0 的状 态相同。 如果两个线圈的通断状态相反, 不同区域中 Y0的触点的状态 也是相反的,可能使程序运行异常。所以一般应避免出现双线圈输出 现象。

但是,在跳步条件相反的两个程序段(如自动程序和手动程序) 中,允许出现双线圈现象,即同一元件的线圈可以在两个程序段中分 别出现一次。或者,在调用条件相反的两个子程序中,允许出现双线 圈现象,即同一元件的线圈可以在两个子程序中分别出现一次。在一 个扫描周期内只能调用一个子程序,实际上只执行正在处理的子程序 中双线圈元件的线圈输出指令。

2、 使用置位复位指令的顺序控制梯形图编程方法。 使用置位复位 指令的顺序控制梯形图编程方法又称为以转换为中心的编程方法。 这种编程方法中,需要有两种控制位:步骤位和条件位。

如图 8所示,这个程序的实现是按步骤进行的,初始步为 M0.0, 依次为 M0.1, M0.2, M0.3和 M0.4,然后再回到初始步循环进行。步 的执行过程中, 需要有步的转换, 要实现转换需要同时满足两个条件:

正转

反转

正转

反转

图 8 顺序控制梯形图

a) 该转换所有的前级步都是活动步,比如 M0.2为活动步, 即 M0.2为 1状态,才能进行 M0.3的步的实现。

b) 满足转换条件。即当 M0.2为活动步时, I0.1为 1时,进 行 M0.3步的动作。

我们可以看到,在这个程序中,多次用到了 I0.1,但是,由于有 步的控制, I0.1的作用也就不尽相同, 由此我们可以看到这种编程方 法的特点:

步与步之间有着严格的对应关系,在任何情况下,代表步的存储

器位的控制电路都可以用这一个统一的规则来设计,每一个转换对应 一个控制置位和复位的电路块,有多少个这样的电路块。这种编程方 法特别有规律,在设计复杂的顺序功能图的梯形图时既容易掌握,又 不容易出错。用它编制复杂的顺序功能图的梯形图时,更能显示出它 的优越性。如以此种方法编自动控制程序,将会非常的稳定。

3、 PLC 硬件组态

PLC 的硬件组态就是对 PLC 所应用的硬件进行设计,针对要完成 什么样的功能,需要有什么样的 CPU ,多少个数字量输入,数字量输 出,模拟量输入,模拟量输出等,根据这些要求对 PLC 的硬件进行设 计。 PLC 不并不像单片机那样是个成型的东西,它实际上是一个组合 体,包括:电源, CPU ,输入,输出等。要完成不同的一项工程,那 么它对 CPU, 对输入输出等都有不同的要求, 针对这些要求来特定地对 PLC 的硬件进行组态,以便能达到适用,经济的目的,这就是 PLC 的 硬件组态。

对于本设计来说具体的 PLC 硬件组态见下表 :

表 2 PLC硬件地址

5. 4. 1 主程序

主程序 OB1块是 PLC 程序的组织结构块, 是用户程序中的主程序。 操作系统在每一次循环中调用一次组织块 OB1。主程序 OB1块中包含

三个主要程序块部分:手动程序块,自动程序块和信号采集程序块。 主程序的编程采用的就是前面所介绍的置位复位指令的顺序控制 梯形图编程方法。其中的初始化为第一步,手动程序为第二步,自动 程序为第三步,信号采集程序为公共步。程序开始第一次扫描时,处 于手动程序状态中,当 WinCC 的设置完毕之后,可由手动程序转入自 动程序。这样的设计就是为了能够在系统运行的时候有充分的准备时 间。具体的程序流程见图 9所示。

图 9 主程序流程图

5. 4. 2 信号采集

信号采集程序的作用就是将模拟信号输入模块的输入量进行一定 的滤波,送入设定的内存,使程序能够及时的将设定值与实际值进行 比较,以便能快速地动态响应加料速度、停止加料和计算补偿值等。

在模拟输入模块中,系统自动的将输入进来的模拟信号转换为数 字信号,转换周期与模块设置的积分时间有关。信号采集程序只需要 用 MOVE 指令将 PIW 中的数字量转出并进行一定的计算。 计算的内容就 是将模拟值进行多次 (这里为 10次 ) 的累加,然后求取这 10次的平均 值, 这样一来, 即使信号的输入端有一定的干扰, 也会因为 10次的平 均而减小很多。然而,这也并不是完善的。最好的方法是将取得值进 行比较,去掉最大或最小的值。因为最大值或最小值往往都是由大干 扰产生的。不过这种方法也要根据实际情况来使用,如果干扰特别频 繁的话,就要考虑去掉较多的最大值或最小值。

具体的信号采集程序流程图参看图 10。

图 10 信号采集程序流程图

5. 4. 3 自动程序

自动程序是相对手动程序来说的,是对加料控制的自动完成。自 动加料程序包括了顺序控制程序,和 4个料仓的加料程序。

自动加料程序要完成的工作有:自动判定加料顺序,设定加料的 仓号, 根据当前的加料值自动的给出合适的加料速度, 当加料结束后, 自动停止, 并给出下一次加料时的补偿值。 自动程序的流程图见图 11。

图 11 自动程序流程图

5. 4. 4 手动程序

手动程序的采用有两个作用,第一是为了在程序起动后不会立即 进行自动配料程序,以便自动配料程序有一个准备的过程;第二是考 虑在自动配料过程中,各方面的部件都会有出问题的时候,或者在调 试 PLC 程序的时候,自动配料程序退出,这时就要靠手动程序来暂时 的进行配料工作的进行。所以,一般情况下是不会用到手动配料程序 的。基于此,本设计的手动程序和自动程序是毫无关系的,而且没有 数据的记录。

本设计中手动程序所要求完成的工作就是以人为主的操作各个按 钮,以暂时的代替自动配料程序的工作。其实,这个工作完全可以脱 离 PLC 来进行,可为什么还要将按钮输入到 PLC ,由 PLC 处理后对各 个控制量进行操作呢?实际上,如果脱离的 PLC 的话,就应该采用一 些继电器组成一个电路,能实现手动操作的功能。然而,这些用现成 的继电器设计连接的电路是远不如 PLC 来的可靠的。这就是为什么手 动程序仍然选择 PLC 来完成的原因。

手动程序的编程是要求满足一些逻辑关系的,这些逻辑关系是操

作量和输出量之间的必然的关系。第一,当给料电机运行时,给料仓 阀门应处于打开位置;第二,当给料电机运行时,称重仓阀门应处于 关闭位置;第三,当称重仓阀门处于打开位置时,不允许给料电机的 运行;第四,称重仓阀门打开前,应先起动位于称重仓下方的集料皮 带;第五,给料仓阀门可以不关闭。

根据这些逻辑关系,可以制定出一个控制顺序,严格按照顺序来 运行的话就会遵守这些逻辑关系。 首先, 打开给料仓阀门, 起动电机, 手动电机给料只有快速一个速度;然后根据给料的值,到最后期间以 振动给料, 当给料值结束时, 停止给料电机, 打开集料皮带控制电机、 称重仓阀门,进行下料。下料完毕,关毕集料皮带和称重仓阀门。进 行下一次给料。手动程序的流程图在这里就不做展示了。

5. 4. 5 加料程序

加料程序是单纯的从加料开始, 到加料结束的一个自动加料程序, 包含于自动程序。 加料程序是一个 FB 块, 4个料斗的加料都靠它一个 程序来完成,它的背景数据块为 4个,分别是 DB1,DB2,DB3,DB4。它 们分别对应着料仓 1, 料仓 2, 料仓 3和料仓 4。 这们的关系图见图 12。 加料程序的流程图见图 13。

图 12 背景数据分配图

图 13 加料程序流程图

5. 4. 6 顺序控制程序

顺序控制程序是自动程序的一个环节,它的作用是将从 WinCC 上 输入到 PLC 的适于顺序的数字依次提取出来,以便使自动程序能按照 人为设定的那样依次使加料仓进行加料。顺序控制程序的原理是将一 个十进制数依次进行提取,每次一位,每一位代表当前要加料的料仓 号,取完一遍后再从头开始,这样循环下去就会始终按照人为设定的 那样进行加料控制了。

而人为地也可以对加料顺序在加料过程中进行修改,因为在每次 的加料过程中, PLC 程序会将加料顺序值读取到内存中,当一次的循 环结束后,才又会从 WinCC 的给定值重新读取。也就是说,当 WinCC 中的加料顺序改变后, PLC 也不会马上响应,它会在本次的加料顺序 完成一遍之后再去响应新的加料顺序。具体的加料顺序控制程序流程

图见图 14。

图 14 顺序控制流程图

结束语

随着世界工业的快速发展, 钢铁的需求也越来越大, 因此, 如何 提高钢铁的产量和质量成为许多钢铁企业生存和发展的重要问题。 目 前, 以应用工业计算机、 PLC 的自动控制技术已经在高炉炼铁过程中 得到广泛应用。

本文针对高炉上料测控系统进行设计,得出以下结论:、 1.通过对高炉炼铁工艺流程、控制要求以及相关设备的具体分 析,提出了高炉上料测控系统总体设计方案。

2. 根据系统的工艺流程、 控制要求找出系统的输入/输出点数, 在此基础上对 PLC 进行选型,同时选择电机和变频器的类型。

3.在分析了高炉槽下配料和炉顶系统的特点后,编制出系统的 程序流程图,并完成了对系统的 PLC 程序的设计。

由于时间关系以及经验上的不足, 系统中还有一些不够完善的地 方。 展望今后, 还有很多的工作要做。 首先,在系统今后的生产过程 中, 如果出现一些意想不到的问题, 或者有不尽合理的地方, 要进行 随时的修改, 进一步完善控制方案, 优化控制技术手段。 在系统稳定 运行后, 通过对生产数据进行全面的分析, 找出过程控制、 生产管理 问题,达到比较高的物流管理水平,最大程度优化高炉的上料系统。

谢 辞

在这段时间的设计过程当中,首先要感谢我的设计老师——李老 师。我从无到有,从不会到出成果,完全是在老师的细心指导、耐心 培养下完成的。同时,在本次毕业设计过程中,我们深深感受到了李 老师对我们的关怀,以及他在学习和工作中的严谨作风。不仅对课题 的研究工作进行了悉心的启发和指导,并且在说明书撰写过程中,提 出了许多:宝贵的意见和建议。他注重对我们思维方法的训练和实践 能力的培养,使我们在学习和工作中既增加了理论知识又提高了自己 提出问题和解决问题的能力。

同时感谢这三年来我的专业老师们对我的细心教导,是这些老师 们的共同努力下,我才能顺利地完成我的学业。在此,我对老师们为 我的辛勤付出,致以我最诚挚的感谢! ! !

参考文献

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[13].韩树人 . 高炉上料自动化 . 冶金工业出版社 , 1996

[14].侯志林 . 过程控制与自动化仪表 . 机械工业出版社, 1998

范文四：高炉上料自动控制系统

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高炉上料自动控制系统

作者：辛瑞峰 江 杰

来源：《科技视界》2013年第10期

【摘 要】本文主要论述了罗克韦尔控制系统在包钢万腾钢铁1#高炉中的应用。对自动控制系统的组成、硬件配置、控制过程及控制功能的实现进行了详细阐述。

【关键词】罗克韦尔控制系统；装料控制；布料控制

0 概述

高炉上料装置是生产中的重要环节，提高其自动化水平，可以大大减轻工人劳动强度，提高生产效率，同时通过原料的精确配比，又可提升产品的品质和质量。高炉上料自动控制系统采用PLC 完成所有的顺序控制过程、数据采集、自动调节、事故处理及报警等工作。计算机负责监控和人机对话，PLC 和计算机通过光纤进行通讯，进行动态数据交换，实现点对点通讯，控制与监控分开，可靠性高。

1 上料系统的控制方案

万腾钢铁1#高炉上料控制系统分为槽下配料和小车上料及炉顶布料三部分构成，采用的是卷扬小车自动上料，炉顶是单罐式无料钟炉顶，槽下矿槽为单列左右对称布置，高炉料车卷扬采用的是两套变频传动，互为备用。溜槽布料倾角和节流调节采用比例阀控制，炉顶探测料面采用2根变频调速垂直探尺。炉顶其它设备采用的是液压传动。溜槽、料溜调节阀的位置检测装置采用的是三个增量型编码器。在上料过程中，炉料先投进受料斗里，随后放入料罐中，在这个过程中，由于高炉不能和大气相通，通过控制炉顶放散阀、均压阀、上密阀、料斗翻板、下密阀、料流阀的顺序开关来实现高炉的正常下料，通过控制α、β、γ来实现高炉布料。 根据高炉上料系统的工艺要求，综合考虑控制的可靠性及实用性，其设计方案如下。 高炉上料自动控制系统由一套冗余PLC 及三个远程I/O站组成。CPU 机头及高炉炉顶I/O位于高炉主控楼PLC 室，CPU 、电源模块及通讯模块采用冗余方式。炉顶远程I/O主要控制炉顶设备及布料器、探尺等炉顶设备。槽下设备远程I/O站位于矿槽主控楼，主要控制槽下配料设备以及槽下液压站设备。卷扬远程I/O站位于卷扬液压站，主要控制炉顶液压站及与卷扬西门子300PLC 的硬连接控制。矿槽除尘远程I/O站，主要控制矿槽除尘风机、仓壁振动器及刮板机等除尘系统设备。

2 控制系统的硬件配置

整个上料系统包括一套冗余PLC 系统和三个远程I/O站。冗余PLC 包括CPU 冗余、电源冗余及网络冗余。各机架之间采用Cnet 冗余连接。具体如下图1所示。

范文五：钢厂高炉上料系统设计

技术工程学院毕业设计（论文）任务书

题目 钢厂高炉上料系统设计 学生姓名 班级 学号 题目类型 工程设计 指导教师 党存禄 系主任

1 毕业设计（论文）的技术背景和设计依据

在高炉炼铁生产中，进料系统是设备的重要组成部分，其可靠性直接影响到生产效率及经济效益。本毕业设计拟采用西门子MM440变频器和PLC 系统，设计一套实用、高效、安全可靠、并且自动化程度高的高炉送料控制系统。

系统结构参考图

料车速度曲线图

2 毕业设计（论文）的任务

⑴ 熟悉题目要求，查阅相关科技文献

⑵ 熟悉西门子PLC 、变频器

⑶ 系统硬件电路设计

⑷ 系统软件设计

⑸ 撰写设计说明书，绘制图纸

⑹ 指定内容的外文资料翻译

3 毕业设计（论文）的主要内容、功能

⑴ 高炉送料电控系统设计。

⑵ 变频器参数设置。

⑶ PLC程序设计。

⑷ PLC与变频器的数据通讯。

4 毕业设计（论文）提交的成果

⑴ 开题报告（不少于3000字）

⑵ 设计说明书（约3万字左右）

⑶ 图纸：① 系统原理图；（2#图纸）

② 硬件电路图；（1#图纸）

③ 软件流程图；（2#图纸）

⑷ 中、英文摘要（中文摘要约200字，3~5个关键词）

⑸ 论文简介

⑹ 外文资料翻译（约5000汉字）

⑺ 查阅文献不少于10篇

5 毕业设计（论文）的主要参考文献和技术资料

⑴ SIEMENS STEP7 V5.1编程手册. 西门子股份有限公司，1998

⑵ 深入浅出S7-300 PLC.西门子(中国) 有限公司自动化与驱动集团. 北京航空航天大学出版社 ⑶ K J Astrom ，H Hagglund. PID Controllers Theory, Design and Turning. [M]. Research Triangle Park, NC: Instrument Society of America, 2"d ed.，1995.

⑷ 天津电气传动设计研究所著. 电气传动自动化技术手册[M]. 机械工业出版社

⑸ http:/www.ad.siemens.com.cn

⑹ http:/www.gongkong.com

⑺ http:/www.microchip.com.cn

⑻ http:/www.maxim.com

⑼ 西门子MM 系列变频器使用手册

6 毕业设计（论文）加选专题部分

加选专题：直流电机的调速。

7 毕业设计（论文）各阶段工作安排

⑴ 熟悉设计题目及要求（第1周）

⑵ 查阅相关技术资料，英文资料翻译（第2周）

⑶ 熟悉P LC和变频器（第3周）

⑷ 系统硬件电路方案设计（第4周）

⑸ 设计方案的比较与选择（第5周）

⑹ 完善硬件电路设计（第6周）

⑺ 软件设计和编写程序（第7~10周）

⑻ 写论文（第7~11周）

⑼ 准备答辩（第12周）

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